人類は常に宇宙を旅することを夢見ており、未知の世界や遠い銀河を探求したいという欲望に魅了されています。宇宙旅行の最大の障害は、広大な距離です。この記事では、宇宙における巨大な距離と、さまざまな速度の宇宙船を使用して遠い星や物体に到達するために必要な時間について説明します。宇宙がどれほど広大であるかを示すために、車と人類が作った最速の宇宙船を使用して、いくつかの天体に到達するのにどれくらいの時間がかかるかを計算しました。また、光の速度でどれだけの距離を移動できるかも計算しました。光の速度では宇宙の遠くまで旅するには不十分ですが、フィクションのワープドライブを使用して光よりもはるかに速い速度を達成する宇宙船が登場するSFシリーズスター・トレックに目を向けました。
時速130 km/h（80 mph）で常に移動する車
宇宙を車で旅できると仮定してみましょう。世界の多くの国では、高速道路の最高速度は130 km/hまたは80 mphであるため、この速度を計算に使用しました。車は最終的に月に到達することができ、そこに到達するのに約123日かかります。火星への旅は、地球に最も近い時で48年、最も遠い時では352年かかります。ニューホライズンズ宇宙探査機は冥王星に到達するのに9.5年かかりましたが、車でのこの旅は少なくとも3,750年かかります。プロキシマ・ケンタウリは地球に最も近い星で、4.24光年の距離にあります。この星に車で到達するには3,500万年かかります。
冥王星のカラフルな構成。クレジット: NASA/ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所/南西研究所
ボイジャー1号 – 宇宙を旅する最速の人類製宇宙船
1977年に打ち上げられたボイジャー1号は、人類が作った中で最も速い宇宙船で、約61,000 km/h（約38,000マイル毎時）の速度で宇宙を旅しています。しかし、ボイジャー1号は今までに作られた中で最も速い宇宙船ではありません。パーカー・ソーラー・プローブは700,000 km/h（約430,000マイル毎時）に達しますが、その速度は太陽に最も近づいたときにのみ達成され、太陽の重力を利用して加速します。一方、ボイジャー1号は宇宙を旅しており、現在最も遠い人類製の物体です。
ボイジャー1号が星間空間に入るアーティストのコンセプト。クレジット: NASA/JPL-Caltech
さて、ボイジャー1号はどれくらいの速さで、広大な宇宙の距離をカバーするのにどれくらいの時間がかかるのでしょうか？ボイジャー1号は、現在の速度で約6時間で月に到達できます。地球から火星までは、火星が地球に最も近いときに37日かかります。そして、遠い冥王星までの旅は8年かかります。地球に最も近い星であるプロキシマ・ケンタウリに到達するには、驚くべきことに75,000年かかります。これらの計算から、私たちの現在の技術力は、宇宙を探査するにはほとんど不十分であり、しかも有人クルーなしでは不可能です。おそらく近い将来、私たちは地球に最も近い惑星である火星にクルーを送ることができるでしょう。今のところ、私たちの技術は最も近い星に探査機を送るには十分に進歩していません。
光速での旅行
真空中の光の速度は約299,792 km/s（約186,282マイル/s）であり、これはおおよそ1.08億 km/h（約671百万マイル毎時）に相当します。物理学の法則によれば、アインシュタインの相対性理論が説明するように、これが可能な最高速度です。
銀河中心の星の大釜。クレジット: NASA/JPL-Caltech
相対性理論によれば、質量を持つ物体（宇宙船や人間など）が光の速度で移動することは理論的に不可能です。物体の速度が増加すると、その質量は実質的に増加し、さらに加速するためにはますます多くのエネルギーが必要になります。質量のある物体を光の速度まで加速するには無限のエネルギーが必要であり、したがってそのような旅行は現在の科学的理解において不可能です。
物理学の法則を一時的に無視して、光速での旅行が可能だと仮定しましょう。もし人類が光速で移動できる宇宙船を持っていたら、私たちは宇宙でどこまで行けるでしょうか？その場合、宇宙全体が私たちの手の届くところにあるのでしょうか？以下が私たちの計算結果です。
光速であれば、月に到達するのにわずか1.28秒、火星に到達するのに3分、冥王星に到達するのに4時間かかります。光速は太陽系内での高速旅行に理想的です。しかし、光速は星間旅行に十分でしょうか？私たちに最も近い星であるプロキシマ・ケンタウリは4.24光年離れています。これは、光がプロキシマ・ケンタウリに到達するのに4.24年かかり、帰りの旅も同じ時間がかかることを意味します。このような旅は有人クルーで可能かもしれませんが、そのような宇宙船の乗客は、宇宙での生活のかなりの部分を過ごさなければなりません。
地球から約15光年の半径内には約50の星があります。光速で移動できる宇宙船があれば、この宇宙の一部を探査することができるでしょう。おそらく無人探査機を使って探索することになるでしょう。私たちは、光速が最も近い星に旅行するには十分であると結論づけることができますが、私たちの銀河系や他の銀河の遠くまで旅行することは、そのような旅にかかる時間のために不可能でしょう。
例えば、最も近いブラックホールであるV616モノケロティスは地球から3300光年離れているため、光速で到達するには同じ年数がかかります。明らかに、そのような旅は実現可能でも合理的でもありません。
私たちの銀河の中心に到達するには26,000年かかり、最も近い渦巻銀河であるアンドロメダまでの旅は驚異的な253.7万年を要します。
光速を超える旅行
世界的に有名なSFフランチャイズスタートレックでは、宇宙船が光速よりもはるかに速い速度で移動します。これは架空のワープドライブによって可能になります。スタートレックのワープドライブは、宇宙船の周りの時空を歪める「バブル」を作ることで、宇宙船が光速を超えて移動できるようにします。この方法では、船は宇宙内で光速を超えて移動するという法則に違反することなく、周囲の時空を移動します。このドライブは架空のものですが、科学者たちは似たようなアイデアに基づいた理論モデルを開発しています。
アルクビエレ・ドライブは、時空を歪めることによって光速を超える旅行の方法を提案する理論的概念です。このアイデアによれば、宇宙船は実際には光速を超えて移動するのではなく、自身の周りに「バブル」を作り、船の前で時空を収縮させ、後ろで拡張させます。このようにして、船はバブル内の空間に対して静止したまま時空を通過することができます。これが機能するためには、負のエネルギーを持つエキゾチックな物質が必要とされており、科学者たちはまだそれを見つけたり作り出したりしていません。アルクビエレ・ドライブについての詳細はこちらで読むことができます。
スタートレックとワープドライブ
科学者たちはまだアルクビエレ・ドライブの構築に関するすべての障害を解決していませんが、スタートレックとワープ速度旅行に戻りましょう。スタートレックでは、宇宙船がワープドライブを使用して移動しました。技術が進歩するにつれて、ワープ速度は速くなりました。ワープ1は光速に等しく、ワープ2は光速の10倍、ワープ3は39倍、そしてその後も続きます。私たちは、最大速度に関するデータが利用可能なスタートレックの3つの有名な宇宙船を選びました。シリーズの宇宙船は最大ワープで連続して移動することはできませんでしたが、計算のために彼らが達成可能な最大速度を使用します。
キャプテン・ジョナサン・アーチャーの宇宙船 スタートレック：エンタープライズ
この船の名称はNX-01です。エンタープライズシリーズの最初の船であり、宇宙探査と未来の連邦の基盤を築く上で重要な役割を果たしました。最大速度はワープ5で、光の速さの214倍です。このエンタープライズを使えば、地球から冥王星までわずか1分30秒で到達できます。最寄りの星、プロキシマ・ケンタウリまで到達するのに7日かかり、最寄りのブラックホールV616まで15年かかります。私たちの銀河の中心に到達するにはなんと121年かかり、アンドロメダまでの旅行には驚異的な11,853,271年かかります。
この船は、最大速度で30日間で約17光年をカバーします。地球から17光年以内には、約50～60の星系と約100の星があります。
キャプテン・ジャン＝リュック・ピカードの宇宙船 スタートレック：ザ・ネクスト・ジェネレーション
キャプテン・ジャン＝リュック・ピカードの宇宙船は、スタートレック：ザ・ネクスト・ジェネレーションでUSSエンタープライズ（NCC-1701-D）と呼ばれました。これはエンタープライズという名前を持つ船の中で5番目のもので、スタートレックフランチャイズの中でも最も有名な船の一つです。最大速度はワープ9.6で、光の速さの1,909倍です。
ピカードのエンタープライズは、わずか19時間28分でプロキシマ・ケンタウリに到達し、ブラックホールV616モノケロティスに到達するには約1年9ヶ月かかります。私たちの銀河の中心に到達するには13年7ヶ月かかり、アンドロメダまでの旅行には1,328年かかります。
30日間で、この船は156光年をカバーできます。地球から156光年の半径内には、約40,000から60,000の星があります。
キャプテン・キャスリン・ジェインウェイの宇宙船 スタートレック：ボイジャー
キャプテン・キャスリン・ジェインウェイの宇宙船は、スタートレック：ボイジャーでUSSボイジャー（NCC-74656）と呼ばれています。これは、デルタ象限での任務で知られるインテrepid級の船です。最大速度はワープ9.975で、光の速さの5,126倍です。ボイジャーは、わずか7時間でプロキシマ・ケンタウリに到達します。ブラックホールV616までには7ヶ月、私たちの銀河の中心までには5年かかります。アンドロメダにはまだ届かず、この宇宙船がそこに到達するには495年かかります。
最大速度で、30日間でこの宇宙船は421光年をカバーできます。地球から421光年の半径内には、約125万の星があります。
宇宙旅行の未来
宇宙の広大さは宇宙旅行の制約要因です。現在私たちが建造する宇宙船は、太陽系の遠くの部分や冥王星のような天体に到達するのに10年またはそれ以上の時間がかかります。星間旅行は現在のところ実現不可能であり、私たちの最速の宇宙船が最も近い星に到達し、帰還するのに150,000年かかります。現時点では、私たちは太陽系内での旅行に制限されています。星間旅行を実現するためには、技術が光速の少なくとも20%に達する必要があり、そうすれば探査機が最も近い星に約20年で到達できるでしょう。地球からの強力なレーザーを使用して加速するそのような宇宙船を建造する計画は存在しますが、そのような探査機が収集するデータを得るにはさらに4年待たなければなりません。
天の川銀河と隣接するアンドロメダ銀河。クレジット: NASAゴダード
最も近い星を成功裏に探査するためには、光速に近い速度が必要です。これにより、地球から15光年以内にある約50の星が科学研究のためにアクセス可能になりますが、そのような旅は非常に長く、探査機からデータを受け取るのに数十年かかるでしょう。宇宙は非常に広大であり、光速で旅行できる宇宙船でさえ、私たちが探査できるのは最も近い星だけです。
光速を達成することが不可能であり、光速を超える旅行が実現不可能である場合、高度な地球外文明に出会う可能性は極めて低いです。宇宙は生命の全体かもしれませんが、宇宙の広大な距離は文明間の接触をほぼ不可能にしています。例外として、球状星団のような星団内の星々が考えられますが、そこでは星が0.1光年の距離で近接することがあります。しかし、そのような小さな距離でさえ、私たちのような文明にとっては非常に大きな距離です。ボイジャー1号は、0.1光年離れた星に到達するのに約1,769年かかります。
光速を超える旅行は可能か？
理論的には、光速を超える旅行は魅力的ですが、現在の科学法則、特にアインシュタインの相対性理論によれば、質量を持つ物体が光速より速く移動することは不可能です。しかし、いくつかの理論的なアイデアは、この制限を「バイパス」する可能性を示唆しています：
アルクビエレ駆動
この概念は、1994年に物理学者ミゲル・アルクビエレによって提案され、宇宙船の周りに「バブル」を作成し、その内部で時空が維持されることに基づいています。バブルは船の前で空間を収縮させ、後ろで拡張させることで、実質的に光速を超える旅行を可能にします。宇宙船自体は実際には光速より速く空間を移動しませんが、その周囲の空間が歪むことになります。問題は、これには負のエネルギーを持つエキゾチックな物質の使用が必要であり、それはまだ証明されていないか、発見されていないということです。
ワームホール
ワームホールは、宇宙の遠く離れた地点を結ぶ可能性のある時空の仮想トンネルです。ワームホールを通ることで、旅行者は二点間の全距離を通過することなく、実質的な「近道」を利用できるかもしれません。
ワームホールは一般相対性理論の中では数学的に可能ですが、実際に存在する証拠はなく、実用的に使用するには十分な安定性を保つことができるかどうかも不明です。さらに、その維持にはエキゾチックな物質が必要になる可能性があります。
タキオン
理論によれば、タキオンは常に光速よりも速く動く仮想粒子です。しかし、その存在は証明されていません。もしタキオンが存在した場合、因果律などの物理学の基本法則に違反することになり、時間を遡るような逆説を引き起こす可能性があります。
ワープドライブ
スタートレックでは、ワープドライブはアルクビエレドライブに似た概念を使用しており、宇宙船は従来の意味で光速を超えて移動するのではなく、その周囲の時空を歪めます。このアイデアはフィクションですが、実際の物理学者が時空の歪みの可能性を探求するインスピレーションを与えています。
準結晶空間または高次元
弦理論のような一部の理論では、宇宙には私たちが知覚できる以上の次元が存在するとされています。高次元を通ることで、三次元空間における「近道」を可能にするかもしれません。このアイデアはまだ非常に推測的ですが、理論的には興味深いものです。
これらのアイデアは興味深いものの、ほとんどはまだ理論やサイエンスフィクションの領域に留まっています。現在、光速を超える旅行を実現するための技術や材料は存在しませんが、エキゾチックな物質、時空、量子物理学に関する研究は、未来の新たな可能性を提供し続けています。