光の速さはマッハいくつ？光速と音速の違い・計算式・比較表まで徹底解説

光の速さはマッハいくつか。この問いは単なる豆知識ではなく、「絶対速度（光速）」と「相対速度（マッハ）」の本質的な違いを体系的に学べる入口です。本文では、定義と計算の基礎、気温や高度で変わる音速の扱い、媒質による光の遅れ、教育・制作に役立つ見せ方までを一気通貫で解説し、数式の意味が腹落ちする比較表と実例で理解を固めます。読み終えるころには、光をマッハで換算することの“面白さ”と“限界”を自分の言葉で説明できるはずです。

光速とマッハの基礎をそろえる

光速 c の定義と意味

光は真空中で299,792,458 m/sの速さで進みます。これは国際的に定められた物理定数であり、メートルの定義そのものに組み込まれています。特殊相対性理論では、光速はすべての慣性系で一定で、物質や情報は真空中の光速を超えられないという前提が成り立ちます。空気・水・ガラスのような媒質を通ると屈折により見かけの速さが落ちますが、真空中の c は不変です。ここで注意したいのは、光には位相速度・群速度など複数の“速さ”の概念があり、情報伝達に関わるのは通常群速度であるという点です。位相だけが速く見える現象（分散性の強い媒質など）は、情報が光速を超えることを意味しません。

マッハ数 M の定義と背景

マッハ数は、その場の音速 a に対する物体速度 v の比 M = v / aで表されます。音速 a は温度・組成・高度に依存して変化します。航空・宇宙・流体の分野では、**サブソニック（M<1）／トランソニック（M≈1）／超音速（1<M<5）／極超音速（M≥5）といった区分で、衝撃波や境界層のふるまい、抗力の増減を見極めます。マッハは環境に規格化した“相対的速度”**であり、同じ機体でも温度が下がればマッハ値は上がるという性格をもちます。

二つの単位が生まれた理由

光速は宇宙規模で通用する絶対基準が必要な物理の土台として定められました。一方でマッハは、流体中の運動をその場の音の伝わり方に合わせて評価するための便利な指標として現場から生まれました。目的と対象が異なるため、両者は代替ではなく補完の関係にあります。光をマッハで語るのは可能ですが、前提を厳密に添えるのが科学的な作法です。

「光の速さはマッハいくつ？」計算の手順

基準の音速をどう選ぶか

換算で最初に決めるべきは基準とする音速 aです。日常の目安には、乾いた空気で20℃付近 a ≈ 343 m/sがよく用いられます。海面付近の便宜的な近似としてa ≈ 340 m/sも見かけます。高度が上がると気温が下がるため音速は落ち、たとえば約10 km では a ≈ 295 m/s程度になります。理想気体の範囲では、音速は**a = √(γ R T)**で近似でき、ここで γ は比熱比、R は気体定数、T は絶対温度です。乾燥空気（γ≈1.4）に対してこの式を使うと、温度が 1 K 上がるたびに音速がわずかに増えることが読み取れます。

計算式と具体的な数値

真空中の光速 c を基準音速 a で割れば、M = c / aで求まります。二つの代表的な前提で数値を確認します。20℃の空気（a = 343 m/s）では、c = 299,792,458 m/s なので、M ≈ 874,030となります。海面付近の近似 a = 340 m/s では、M ≈ 881,743です。基準の取り方だけで数万マッハの差が生じるため、「どの a を採用したのか」を必ず併記するのが正確です。

温度・高度でどう変わるか（条件別レンジ）

音速が下がるほど、同じ光速のマッハ換算は大きくなります。0℃の空気（a ≈ 331.4 m/s）ではM ≈ 904,624、約10 km の成層圏下部（a ≈ 295 m/s）ではM ≈ 1,016,246です。実務に合わせて「レンジ」で覚えるなら、光速はおよそ 87万〜100万マッハが妥当な表現になります。なお水や固体の行は概念を広げた参考値であり、マッハは本来気体の流れで用いる指標です。

条件別の音速と光速のマッハ換算（真空中の光速を基準）

さらに具体性を高めるために、気温別の音速早見を添えます。理想気体近似の範囲での目安値です。

スケール感が腑に落ちる比較と実例

代表的な速度とマッハ値の比較

よく知られた対象を**同一の前提（20℃・空気 a = 343 m/s）**で並べると、光速の桁外れが直感的に分かります。

この表からマッハは大気中の飛行体向けの尺度だと分かります。宇宙機や電磁波のような宇宙スケールの現象を語るには、マッハよりもm/s や c を基準にした方が筋がよいのです。

地球一周・天体までの時間感覚

光は1秒弱で地球を約7周半できます。地上の音が地球を一周するには、伝播路の条件にもよりますが1日以上を要します。月までの平均距離（約 38 万 km）で比べても、光なら約 1.3 秒、音では媒質が連続していないため到達自体が非現実的です。ここに、絶対速度と相対速度の役割分担がくっきり現れます。

媒質で変わる光の見かけ速度と屈折率

光の速さは媒質中でv = c / n（n は屈折率）で表されます。水の屈折率はおよそn ≈ 1.33、一般的なガラスではn ≈ 1.5、ダイヤモンドではn ≈ 2.4程度です。したがって水中の光はおよそ2.25×10^8 m/s、ガラス中では2.0×10^8 m/s、ダイヤモンドでは1.25×10^8 m/sとなります。いずれも真空中の c より遅く、情報が c を超えて進むことはありません。水や固体にはそれぞれの音速があり、同じ媒体で「光速 ÷ 音速」をとると**相対値（“その媒質でのマッハもどき”）**はやはり非常に大きな数になります。

なぜ光速をマッハ表記しないのか

絶対速度と相対速度のちがい

光速は宇宙で通用する不変の基準です。一方、マッハはその場の音速に規格化した局所指標です。速度の性格が異なるため、片方をもう片方の物差しで恒常的に置き換えるのは科学的に整っていません。光をマッハで言い表すことはできますが、それは便宜的な比較に過ぎません。

計測の目的と対象のズレ

マッハは、音の伝播に対する流れの影響を評価するための実務単位です。衝撃波の発生、圧縮性の顕在化、境界層遷移など、空力設計に直結する判断基準がマッハ帯で切り替わります。光速は電磁波の伝播や時空の対称性に関わる基礎物理の土台で、対象も階層も異なります。目的が違えば、適切な単位系も違うという当たり前を確認しておきましょう。

誤解を避けるための表現

「光速はマッハ約 87 万〜100 万」と示すときは、かならず基準音速と環境を明記し、便宜的比較であると添えます。専門領域では、光についてはc（299,792,458 m/s）をそのまま用い、マッハは空気流に関する議論に限定するのが、読み手の誤解を最小化する最良の方法です。

まとめと応用：今日から使える理解の型

要点の総括

光は不変の速さで、音は環境で変わる速さです。したがって光速をマッハで表すと、基準次第で値が動くため、現実的にはおよそ 87 万〜100 万マッハというレンジ表現が適切です。比較表で「同じ前提にそろえる」ことを徹底すれば、桁違いのスケールが直感的に伝わります。

応用アイデア（学びと制作）

授業や記事では、最初にc を数字で言い切ること、次にM = v / a の式とa = √(γRT)の関係を図解で示すこと、最後に条件別の換算表で理解を固定する流れが有効です。さらに、屈折率表で媒質中の光の遅れを示すと「光はどこでも同じ速さではない」という気づきが加わります。終盤で「光をマッハで語るべき状況は限られる」と明確に述べることで、正確さと面白さの両立ができます。

よくある疑問への短い答え

広告や教育でインパクトを重視するときでも、基準と但し書きを欠かさない姿勢が信頼につながります。数値は前提とセットで意味を持つことを共有できれば、科学の会話はより生産的になります。