&font(#6495ED){登録日}：2011/03/27(日) 00:21:00 &font(#6495ED){更新日}：&update(format=Y/m/d D H:i:s) &new3(time=24,show=NEW!,color=red) &font(#6495ED){所要時間}：約 5 分で読めます ---- &link_anchor(メニュー){▽}タグ一覧 &tags() ---- 相対性理論とは、アルバート・アインシュタインが創始した、有名な理論のことである。 おそらく、誰もが一度は聞いたことがあるであろう。 [[量子力学]]と並ぶ&font(#ff0000){物理の二大革命}と言われており、現代科学の基礎、とくに、[[宇宙]]や[[タイムトラベル]]を語る際には欠かせない。 *概要 相対性理論は大きく分けて &bold(){・特殊相対性理論} &bold(){・一般相対性理論} この2つが存在する。 *特殊相対性理論 まずは、仕組みがかんたんな特殊相対性理論のほうから説明しよう。 特殊相対性理論をざっくり言うと、以下の通りになる。 &bold(){&font(23){１.「どのような速さで動いても、自然法則は同じように働く」}} &bold(){&font(23){(特殊相対性原理)}}((木に火をつけたら燃えるし手に持ったものを落とせば同じように下に落ちる。そうした自然法則は、たとえ動いていようが止まっていようが同じように起こる、ということ。)) と、 &bold(){&font(23){2.&color(red){「光の速さはいつだって同じなんだよ！違うとか言う奴がいたらそいつの目がおかしいんだよ！」}}} &bold(){&font(23){(光速度不変の原理)}} ……1番目はともかく、2番目は一見無茶苦茶なことを言っているようだが、 本当にこういう理論なのであるし、実際アインシュタインがこんな感じのことを言ったおかげで物理学は大きく進歩したのである。 その昔。かの有名なニュートンが生きていた、17世紀ごろの話。 ニュートンと言えば「リンゴが木から落ちるのをきっかけに万有引力を発見した」として有名な学者だが、 彼はこの他に&bold(){&color(blue){「力をかけるとモノが動くのはなぜかというと、力には『かけたモノの速さを変化させる』という効果があるからだ」}}という理論、そして、&bold(){&color(blue){「速さとは、同じ時間に二つの物体が動く距離の差である」}}という理論を考え出している。((厳密にいえば、２番目の法則に最初に気づいたのはガリレオ。)) っていうか、ニュートンが科学界に残した功績としてはリンゴよりもむしろこっちのがメインだったりする。 想像してみてほしい。この画面の前のあなたは走る電車に乗っている。窓の外には延々と田んぼや住宅地が広がっていて、その乗客はあなたを含めて１０人もいない。 電車にシートベルトはないから、たとえ電車が走っている最中でも、あなたは自由に車内を歩き回ることができる。 そのときあなたは、 &bold(){同じ電車に乗っている乗客が時速１００ｋｍものスピードで移動しているようには見えないのではないだろうか？}((在来線のスピードは時速９０～１００ｋｍほど。)) &bold(){窓の外の風景を見て、家や山が動いているように感じたことはないだろうか？} ニュートンが考えた「速さとは同じ時間に二つの物体が動く距離の差である」とは、つまりこういうこと。 &color(red){あなたが時速１００ｋｍの電車に乗っているのなら、車内の乗客やつり革、同じ方向に時速１００ｋｍで進む隣の電車は&bold(){あなたから見て}止まっているが、&bold(){地面から動かない踏切や建物から見ると}乗客もつり革も、そしてあなた自身も時速１００ｋｍで動いている。} 大きさや重さ、長さ、速さなどなど、&bold(){何かを計測するときには「他のなにかと比べる」ことが必要不可欠}であり、そして&bold(){「なにと比べているか」によってその数値は変化する}のだ。 こうした性質のことを一般に「相対性」と呼ぶ。 ……が、この定理「相対性」は後に混乱を呼ぶことになる。 当時研究されていたテーマの中のひとつに「光の速さ」があったのだが、ある科学者が&bold(){&color(blue){「光の速さはいつでもどこでも秒速30万km」であるという事実を発見した}}のである。 一見すると何の問題もないように見えるが、これは非常にまずい事態だった。 先ほどの相対性の定理を用いるならば、速さは&bold(){観測者の立場によって変わるはず}である。 さっきの電車の例でいうなら、同じ電車に乗っているあなたから見れば社内のつり革は静止している、つまり時速０ｋｍである一方、線路沿いの道に立っている人Bさんから見れば、つり革の速さは電車と同じ１００ｋｍとなる。 もし仮に、電車と同じ方向に時速110kmで並走する車がいたなら、時速100kmの電車に乗っているあなたから見て、その車は110km-100km＝10km……時速10kmで走っている(ように見える)状態こそが正しいと言えるわけだ。((ちなみに、この車が逆方向に走っている＝時速110kmの車が時速100kmの電車とすれ違うのなら、電車に乗っているあなたから見てその車は110km+100km＝210km……時速210kmで走っていることになる。)) ということは&color(blue){光もまた、動きながら計った時の速さと止まった状態で計った時の速さが異なるはず。} だがしかし。 実験を行ったその研究者によると、計測器を動かしていようが止めていようが、光の速さは変化しなかったのだという。 #region(先ほどの電車の例であらわした補足) 単純計算する。 時速100kmの電車と同じ方向に移動している時速10億8000万km（＝秒速３０万ｋｍ）の光線があって、Aさん、Bさんそれぞれがその光を見ている。 止まっているBさんから見て10億8000万kmだったなら、動いているAさんからなら、10億8000万km-100km＝10億7999万900kmになるはず。だが動いているAさんが実際に計測してみると、やっぱり時速10億8000万km（＝秒速３０万ｋｍ）だった、というわけである。 #endregion どういうことなのか？ #center(){&bold(){&color(red){光が進む本当の速さは時速何ｋｍなのか、わからなくなってしまったのだ。}}} で、当時の学者が困りはてていたところに現れたのが、あのアインシュタインだった。 &bold(){&font(15){&color(green){「光がいつでもどこでも秒速30万kmだというなら、もう光の本当の速さを測ろうとするのは諦めようじゃないか。その代わり、光の速さを基準にしてそれ以外のモノの速さを測ればいい。そうだろ？」}}} かくして、アインシュタインが仮定したこのルールは&bold(){「特殊相対性理論」}として世に広まったのである。 さて、&bold(){&color(blue){「光を基準にすべてのものの速さ・長さを計る」}}と言ったからには、 光の速さは&bold(){&color(red){「だいたい同じ」}}ではなく、&bold(){&color(red){「いつでもどこでも完全に同じ」}}でなくてはならない。 定規の目盛りが定規ごとにバラバラだったり、ストップウォッチの秒刻みの感覚が全世界共通でなかったとしたら、それはもはや計測道具としては使えないからだ。 で、かんじんの光の速さはというと、基本的にはいつでもどこでもほぼ同じだが、時と場合によって微妙に異なることが研究で明らかになっていた。 この問題をアインシュタインはこう解決した。 &bold(){&font(15){&color(green){「だったら、光の速さを測ってる時計がおかしいんじゃねーか？」}}} &bold(){&font(15){&color(green){「もっと言うなら、時間の流れの速さとか空間の広さとか、それ自体がそもそも変化するものなんじゃねーの？」}}} 光の速さは本当に一定か。そんなことどーでもいい。関係ない。考えない。 &bold(){&font(20){「光の速さはいつでもどこでも完全に同じ」、そういうことにしておくのだ。}} なぜなら、&bold(){&color(red){その光を「全てのものの速さや長さを測るためのものさし」にした}}のだから。 特殊相対性理論とは、「光の速さが一定であることを証明する理論」&bold(){ではなく、}「『光の速さは一定である』という前提のもとに、今までの物理法則をもう一度疑ってみる理論」なのである。 *一般相対性理論 続いて一般相対性理論。 名前的にはこっちのが先のように見えるが、最初に考え出されたのは先述の特殊相対性理論のほう。 一般相対性理論の大まかな内容はというと、 &bold(){&font(23){１.「誰に対しても、自然法則は同じように働く」}} &bold(){&font(23){(一般相対性原理)}} &bold(){&font(23){２.「加速の力と重力は等しい」}} &bold(){&font(23){(等価原理)}} の２つ。 １.は、&color(blue){ものを燃やしたり落としたり、あるいは化学反応を起こしたりなどの自然法則は、どこの誰がいかなる状況で発生させたとしても同じ結果をもたらす}、というもの。 窓際の席で物憂げに空を眺める見目麗しい女子高生が水酸化ナトリウムと塩酸を混ぜても、 パソコンの画面だけが灯る暗い部屋で一心不乱にキーを叩く40歳男性が水酸化ナトリウムと塩酸を混ぜても、 生まれるのはどちらもまったく同じ食塩水なのである。 &font(l){JKの食塩水なら飲みたい} 一見、特殊相対性原理と似たり寄ったりな内容だが、特殊相対性原理が「どんな速さで動いていても同じ自然法則がもたらす結果は変わらない」のに対し、一般相対性原理は「どんな状況でも同じ自然法則がもたらす結果は変わらない」。 言ってしまえば特殊相対性原理の重力バージョンである。 ２.は、電車や上昇中のエレベーターで感じるような「G」（慣性重力）と、重力を同列のものとして計算しよう！という理論。 *で、実際にはどんなことが起こるの？ ・重いものの周囲では空間が歪む ・タイムトラベルができる //度の法則でもお馴染み。 //1gの物体が光速の90％で動くと質量は約2.3kgになる。 //なぜ質量が増えるのか。 //特殊では、ロケットを加速させようとするエネルギーが質量に変換されるためである、という見方がある。 //ロケットを加速させようとするエネルギーは、ロケットを加速させず、質量に変換されるのである。 // //これは大革命だった。 // //質量保存の法則やエネルギー保存の法則、この物理学の基礎をなす2つの法則を矛盾することになる。 //それどころか質量とエネルギーは同等だと言うのだ。 // //そしてこれがエネルギーと質量の関係式である。 // //&font(#ff0000){E=mc^2} //エネルギー(J)=質量(g)×光速の2乗(ms^-1) // // //光速の2乗は900億である。そのような莫大なエネルギーが、わずかな質量の物質内に秘められているのだ。 // //そしてこれが基礎となった兵器が、日本国民なら誰もが知っている // //&font(#ff0000){原子爆弾} // //である。 // // //1gの物質を完全にエネルギーへと変換すると90兆ジュールのエネルギーになる。 // //ちなみに広島に投下された原爆が放出した熱量が約63兆ジュールである。 // //後にアインシュタインは自分が作った理論で多くの命を奪ってしまったことに、深く後悔したという。 //まあ要するに、時間の流れるスピードとか、ある空間の広さとかが、時と場合によって速くなったり遅くなったり、あるいは伸び縮みするんじゃねえか、とアインシュタイン以降の学者たちは考えたのである。 //その結果、以下のようなことが明らかになった。 // // // //&bold(){その１・時間の進みが遅くなる} //元来、時間とは誰から見ても絶対唯一のものだと考えられていた。 //しかし光は何があっても一定の速さだとすると、時間は変動してしまうのだ。 // // //ここに、アニヲタWikiのマスコットキャラをお呼びした。 //彼女ら三人の%%（人間…？）%%名前は、[[アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]、[[アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]、あと数合わせのため来ていただいた[[冥殿]]氏である。 // //[[冥殿]]は椅子に座っていて動いていない。そして[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]は秒速15万kmで飛行、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]は秒速30万kmつまり光速で飛行している。 // //[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]は同じ方向に飛びました。そして、二人が[[冥殿]]の前を同時に通過する。 //通過した後、[[冥殿]]から見れば[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]は前方に秒速15万kmで遠ざかっていき、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]も前方に秒速30万kmで遠ざかっていく。 //そして[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]と[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]の距離の差は15万kmに見える。 // //しかし[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]から見ると[[冥殿]]は後方に秒速15万kmで遠ざかって行くように見える。 //そして通常なら[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]から見た[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]は、速度合成の法則により、[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]自身が前方に秒速15万kmで飛んでいる分、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]の速度が秒速15万kmマイナスされて、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]は秒速15万kmで前方に遠ざかって行くように見える。 // //しかし光は何があっても一定の速度であるため、[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]から見た[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]](光)も秒速30万kmに見えるのです。 // // //動いている人にも止まっている人にも光が同じ速度に見えるのは有り得るのだろうか。 // //その問題を解決したのがアインシュタインである。 //ならその矛盾した分だけ長さを縮ませて、時間の進みを遅らせようぜ。とアインシュタインは言ったのです。 // // //[[冥殿]]と[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]の時計が一秒経ったとき、[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]の時計は0.5秒しか経っていないとしたら、[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]が0.5秒で15万kmを進んだように見える。 //更に0.5秒経った1秒の時には[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]は30万km進んだように見える。 // //そう、これが時間の進みが遅れると言われる理由である。 // // // // //&bold(){・長さが縮む} //対して、長さが縮むというのはどういうことなのか。 //[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]の持つモノサシは[[冥殿]]や[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]の持つモノサシは同じものだが、[[冥殿]]たちのモノサシより短くなる。 // //つまり[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]が半分に縮めば、その分[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]]たちが長く見える。 //[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]の持つ30万kmのモノサシが半分に縮めば15万kmのモノサシになり、周りの物が長く見える。 // //[[アイン>アニィー・ウォーター・ノ・アイン]]が30万km進んでも、[[冥殿]]には15万kmしか進んでいないように見えるのだ。 // //これなら[[ツヴァイ>アニィー・ウォーター・ノ・ツヴァイ]](光)は動いている人にも止まっている人にも同じ速度に見える。と言うことだ。 // // // //アインシュタインは光より早く動く物体は無いと唱えた。それが何を意味しているのか。 // // //&bold(){・質量が増える} //皆さんは考えたことはないだろうか。 //宇宙では物体は等速直線運動をする。なら宇宙でロケットを噴射し続けると、いずれは光速に達するのでは、と。 // //宇宙でロケットは毎秒9.8mの一定スピードで加速していくとしよう。 //すると計算上では1年後のロケットの速度は光速になる。さらにエンジンを噴かせれば光速を越えることも可能である。 //しかし質量を持つ物体は光速に達することも超えることも出来ない。 // //質量を持った物体は加速していくにつれ、自身の質量が増えていくのだ。 //質量が増えればスピードが上がりにくくなるのは、加速 *余談 -一般相対性理論を理解しているのは1920年代には3人しかいないと言われていた。提唱者のアインシュタイン、（質量がないので古典物理では重力の影響を受けないはずの）光が重力で曲がることを観測したエディントン、そして三人目はエディントンも知らなかった。 --一般相対性理論を何か異常な理論のように扱う風説に対する「いや、普通に理解できるし」というエディントンのジョークである。念のため。 追記・修正はアインシュタインの後継者にお願いします。 #include(テンプレ２) #right(){この項目が面白かったなら……＼ポチッと/ #vote3(time=600,5) } #include(テンプレ3) #openclose(show=▷ コメント欄){ #areaedit() - 私は時間の進みと質量が増えることはなんとなく分かっていた しかし長さが縮むというのは考えられなかった アインシュタイン博士は本当に天才だったのだな -- 名無しさん (2014-03-22 15:24:58) - アインシュタインが後悔したのは大統領に原子爆弾の開発を勧める手紙書いたことじゃなかったっけ -- 名無しさん (2015-04-16 23:10:59) - あまりにも日常の常識とかけ離れた現象が説明されるため、「相対性理論は間違っている」と主張する本が、「相ま」というジャンルとして認知されるほど出回ることとなる。 -- 名無しさん (2015-08-07 07:51:17) - ウルトラマンメビウスでこの理論が出てきたのには驚いた -- 名無しさん (2015-09-01 21:44:14) - 数式で書いてくれないとわからない… -- 名無しさん (2016-01-20 00:16:43) - わかりやすい -- 名無しさん (2017-12-08 11:29:16) - 光速度不変という前提を置けば全て当然ではあるんだけど、本当に光速度不変を観測の問題に帰せず前提の原理として理論体系を作ってしまったアインシュタインは本当に化け物 -- 名無しさん (2017-12-08 11:33:50) - アインシュタインが、この理論を公開せず、自分の頭だけに秘めていれば、人類は核による自滅におびえずにいられたのだろうか……。それとも、別の殺りく兵器を作ってしまってただろうか……？ -- 名無しさん (2017-12-08 13:55:00) - 一番最初に理論を唱えたのがアインシュタインだったってだけ。アインシュタインが秘匿してもいつか別の誰かが唱えてたろうよ。 -- 名無しさん (2017-12-08 14:11:16) - ↑↑ アインシュタインは別に無から相対性理論を考えたのではなく、今までの観測結果や仮設を統合して、自分の発想を加えてまとめ上げたってだけだからね -- 名無しさん (2017-12-08 14:30:35) - ↑1,2 ということは、どっちにしろ、人類はもう詰んでたってことか……（嘆 -- 名無しさん (2017-12-08 14:44:31) - ↑ 逆に言えば、世の中なるようにしかならないんだから悲観せずに生きようって話だ -- 名無しさん (2017-12-08 21:25:41) - ちなみに最初に日本に紹介された時には名前で色っぽい話かと思った人が多かったとか（男女の心中を江戸時代には「相対死」と言った＆「性」は言わずもがな） -- 名無しさん (2017-12-08 22:37:34) - ↑×7 特殊相対性理論はアインシュタインが考えなくても数年以内に他の学者が発表できたって言われてるし「光速度不変を観測の問題に帰せず前提の原理として理論体系を作ってしまった」はノーベル賞を貰ったとはいえ別にそこまですごいことではない。本当にすごいのは一般相対性理論のほう -- 名無しさん (2017-12-08 22:58:58) - E=mc^2をもっとも美しい数式という派閥がある理由もわかる -- 名無しさん (2018-05-02 08:16:27) - 大学の一般教養で習うまで俺も勘違いしてたんだけど、これは光速度不変の原理を証明する理論「じゃない」んだよね。そこを勘違いするとどんな解説書読んでも理解できないことになる。 -- 名無しさん (2018-05-02 13:37:52) - よく分からないんだけど「観測者次第で速さや長さが変わっちゃうなら、絶対に視点が変わらない光さんに基準になってもらおうぜ！」って理屈でいいの？（文系並感） -- 名無しさん (2018-05-06 04:28:51) - 「特殊相対性理論は一般ほど難しいことを言ってない」という前提でごちうさにも出てきたな -- 名無しさん (2018-05-06 05:24:36) - 特殊相対性理論は概ね内容は高校生レベルと言われる。一般相対性理論は理解できているかわからんから説明には躊躇する。書籍とかでわかっているつもりにはなってはいるけれど…… -- 名無しさん (2018-05-06 06:10:35) - ↑3少しだけ違うんじゃないかな。光さんに基準になってもらうは合っている。でも光速度不変はあくまでも原理なので証明出来ず、視点が変わらないことが『絶対』である保証はない。更に光速に関して全ての環境や影響を考慮出来ているのかも証明できない(物理現象を全て観測出来ていることなど証明できない)。ただ、明確な反論材料(証拠)も大勢の人が模索しているけど得られていないし得られたところでその検証も困難なので現状否定もされていない。これらは相対性理論に限った話ではないけど。 -- 名無しさん (2018-05-25 22:44:42) - えられる答えが一緒なら、簡単な理論が優先されるだろうしね。コペンハーゲン解釈とかもその類と以前習ったことがある。 -- 名無しさん (2018-05-25 22:48:30) - ↑×7 E=mc^2を世界一美しい式って考える人たちがいるけど、そういう人は学者のなかでは無知な人って扱いになる。e^(iπ)+1=0の美しさと比べたE=mc^2は塵芥みたいなものだし -- 名無しさん (2018-05-25 23:17:49) - 数式に美しいも何もないと思います…（文系） -- 名無しさん (2018-08-12 06:06:34) - 光の速さはいつでもどこでも秒速30万kmという法則を発見した、というよりは光の速さも測り方によって変わるよねって事を確かめようとしたら全然差が出なくてやべーぞって感じだよね -- 名無しさん (2019-01-02 11:58:53) - コレ見つけて定義したのが100年前ってのが凄すぎる。 -- 名無しさん (2019-02-21 13:23:33) - かの交流大好きな、ライオン男と喧嘩するほど仲がいいイケメンは、これに反対してたんだよね。 -- 名無しさん (2019-02-21 13:49:36) #comment #areaedit(end) }
