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Contests/Gnit Weekly Challenge Advanced+ 003 (GWCA003) ~Super Difficult Physics Cup~/Problem 6 高密度空間における相対論的超音速追跡と時空固有時パズル
Problem 6

高密度空間における相対論的超音速追跡と時空固有時パズル

Finished
1336 ptsLv.10 AdvancedMechanics
2026/08/19 21:00〜2026/08/19 22:30
Author: admin02

問題文

大気が極限まで圧縮され、音速が vs=6.40×104 m/sv_s = 6.40 \times 10^4 \text{ m/s}vs​=6.40×104 m/s (秒速64km)に達している仮想的な超高密度宇宙空間(大気静止座標系 SSS)を考える。この空間における光速は音速のちょうど1万倍(マッハ10000)であり、 c=6.40×108 m/sc = 6.40 \times 10^8 \text{ m/s}c=6.40×108 m/s (秒速64万km)である。この空間における特殊相対性理論の数理形式は、通常の物理学の定義(ローレンツ因子 γ\gammaγ、およびローレンツ変換)がそのまま適用されるものとする。

大気静止系 SSS の xxx 軸上において、ある「静止した標的」が位置 x=X0x = X_0x=X0​ (ただし X0>0X_0 > 0X0​>0)に設置されている。

時刻 t=0t = 0t=0 の瞬間、原点 x=0x = 0x=0 から xxx 軸の正の向きに向けて、爆発に伴う強烈な平面衝撃波(爆風の壁)が伝播し始めた。この衝撃波の進播速度は音速を遥かに超えており、大気静止系 SSS において速度 us=3.00×108 m/su_s = 3.00 \times 10^8 \text{ m/s}us​=3.00×108 m/s (マッハ4687.5)の等速直線運動を行う。すなわち、 t≥0t \ge 0t≥0 における衝撃波前面の位置は xshock(t)=ustx_{\text{shock}}(t) = u_s txshock​(t)=us​t と表される。

この衝撃波の発生から十分に時間が経過した未来の時刻 t=T0t = T_0t=T0​ (ただし T0>0T_0 > 0T0​>0)の瞬間、原点 x=0x = 0x=0 から、大気静止系 SSS に対して xxx 軸の正の向きに速度 u=5.00×108 m/su = 5.00 \times 10^8 \text{ m/s}u=5.00×108 m/s (光速の約78.1%、マッハ7812.5)で等速直線運動を開始した特殊宇宙船がある。この宇宙船の静止座標系を S′S'S′ とし、宇宙船の時計(系 S′S'S′ の固有時)は、出発の瞬間を t′=0t' = 0t′=0 とする。

宇宙船は、前方を突き進む衝撃波(マッハ4687.5)を後ろからさらに上回る凄まじい速度(マッハ7812.5)で等速追跡し、やがて追い抜いていく。さらに宇宙船はそのまま直進し、位置 x=X0x = X_0x=X0​ にある静止標的へと突入する。

大気静止系 SSS において、宇宙船が前方の衝撃波の前面に「後ろから完全に追いついた」瞬間をイベントA、宇宙船が位置 x=X0x = X_0x=X0​ の「静止標的に突入した」瞬間をイベントBとする。

宇宙船の出発時刻 T0T_0T0​ および標的の位置 X0X_0X0​ は、宇宙船内の観測者が、「宇宙船が出発してから、衝撃波に追いつくまでに要した船内時間(イベントAの t′t't′ )」と、「衝撃波に追いついてから、標的に突入するまでに要した船内時間(イベントBの t′t't′ とイベントAの t′t't′ の差)」が完全に等しくなるように精密に調整されている。

この物理条件が未来の正の時間軸上で完全に成立しているとき、大気静止系 SSS における2つの定数の比 X0usT0\frac{X_0}{u_s T_0}us​T0​X0​​ の値を求めよ。

制約

  • 衝撃波の速度(系 SSS にて): us=3.00×108 m/su_s = 3.00 \times 10^8 \text{ m/s}us​=3.00×108 m/s
  • 光速(系 SSS にて): c=6.40×108 m/sc = 6.40 \times 10^8 \text{ m/s}c=6.40×108 m/s
  • 宇宙船の速度(系 SSS に対する): u=5.00×108 m/su = 5.00 \times 10^8 \text{ m/s}u=5.00×108 m/s
  • 宇宙船の出発時空点(系 SSS にて): t=T0>0t = T_0 > 0t=T0​>0 、 x=0x = 0x=0
  • 宇宙船の出発時計(系 S′S'S′ にて): t′=0t' = 0t′=0
  • すべてのイベント(出発、衝撃波への追いつき、標的突入)は、大気静止系 SSS および船内固有時 t′t't′ のいずれにおいても、未来の正の時間( t>T0,t′>0t > T_0, t' > 0t>T0​,t′>0 )において物理的に発生するものとする。

入力形式

求める比 X0usT0\frac{X_0}{u_s T_0}us​T0​X0​​ の値(無次元量)は、近似や四捨五入を一切行うことなく、厳密な整数となる。その整数値を答えよ。

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