相対性理論をざっくりと

大学の時なんとなく嫌だったので、相対性理論には近づかないようにしていたんだけど、
このままではいけないと思って、雑誌ニュートンの2005年7月号を読んでみた。
細かいところはわからないけど、ざっくりわかった気がするのでちょっと書こう。
(レベルが低すぎるので、物理系の人は読み飛ばした方がいいと思います。)
アインシュタインとか、相対性理論とか聞いたことがあるけど、一般とか特殊とか
よくわからん。光とか、時間とか、重力とか関係してたっけ?くらいのレベルから。

概要

「相対」というのは「絶対」ではないということ。アインシュタイン以前は、

  • 宇宙のいたるところで時間が同じテンポで流れる
  • 宇宙のどこかに完全に静止している座標が存在する

こういう「絶対的」なものの存在を否定したのがこの理論。
そこで前提となるのが光速度不変の原理である。

光速度

光というのは、秒速約30万キロメートルで、1秒間に地球を約7周半する。
これが変わらないというのが前提。変わらないことをもう少し説明すると、
例えば時速100kmで走る車から、進行方向に向けて時速100kmでボールを投げると
車の外から見てる人にとって、ボールはざっくり時速200kmになると思う。
細かくはわかんないけど、少なくとも100kmよりは速くなると思う。
次、光。時速100kmで走る車から、進行方向に向けて光を出す(光線銃?)と
どうなるか。車の外から見てる人にとって光は・・・変わらない・・・という原理。
車の速度が単純に加算されるわけではなく、速度の上限が光速度となる。
こーゆー前提を置くと、いろいろ面白くなるというのが特殊相対性理論

特殊相対性理論

特殊というのは、特殊な状況のみで使える理論ということ。
見る人が加速度運動していないという条件付きで成り立つ。
つまり、止まっている人or同じ速度で動いている人のみ。
時間というのは、状況によって違うテンポで流れるよという話。
どこでも成り立つんだけど、光速に近い速度で等速度運動してる場合に
その違いが如実に表れるので、とても速く動いているのが例に挙げられる。

お互いさまの時間の遅れ

例えば光速の80%の速度で月面から離れる宇宙船と、月面との時の流れを比較する。
仮想的に光時計を考えて光が一定距離進んだら1秒(単位は何でもいいけど)とする。
ここでは、一定距離を宇宙船の底から天井とでもすればいいか。
月面には、同じ長さのものを置いて実験する(もちろん頭の中で)。
月面で光が天井に相当するものに届いた時でも、宇宙船では届かないはず。
だって光速の80%の速度で月面から離れているんだから、天井も離れてる。
ということは、宇宙船ではまだ1秒経ってないわけで、時間がゆっくりだ。
でも、宇宙船の人から見ると、月面が光速の80%で離れている。
ということは、測り方を変えると、宇宙船で1秒経っても、月面ではまだだ。
どっちから見ても、相手の時間の経過が遅くなる。時間の流れは相対的。
空間が縮んだり、質量が大きくなったりするけど、それは割愛。次、一般相対性理論

一般相対性理論

そんな特殊なケースだけじゃなくて、もっといろんな場面で適応できる
理論があってもいいんじゃないかってことで出てきたのが一般相対性理論
これは、ニュートンの万有引力理論とは違うやり方で重力を解釈する。
万有引力というのは、文字通り何でも引き合う力が存在するというもの。
でも、その引き合う力というのは、どうやって伝わるのか。一瞬なのか?
光速越えちゃうの?それって変じゃないのかな、というのが始まり。
巨大な質量で空間自体がゆがんでいるのではないか、というのがこの理論。
ゴムシートの上に鉛玉を置くと、シートがへこんでそこに他のものが転がってくる。
そんな感じで、巨大な質量があると、他のものが引き寄せられるという考え方。
ものもそうだけど、光も引き寄せられて曲がるよ、と観測で示された。
極端なことを言えば、太陽の後ろにある星の光が見えたりする(曲がるから)。

重力による時間の遅れ

仮に太陽が原因として、光が太陽に曲げられるということは、光を帯状に考えた時、
太陽に近い側と太陽から遠い側で、光の進む距離が違ってくる。
陸上競技のトラックと一緒で、内側の方が距離が短く、外の方が長い。
でも光の速度は一緒なんだから・・・時間の流れが違う・・・ということになる。
遠い側がたくさん進むから、時間は早く流れる。近い側は、ゆっくり。
これはお互いさまではなくて、巨大な質量のあるものに近い側が絶対的に遅れる。
ブラックホールは、非常に大きな質量をもつので、その付近はゆっくりだ。
このときの視点は、ブラックホールから十分遠く離れた場所である。

まとめ

  • 相対性理論とは、時間や空間が絶対的なものではないという理論
  • 特殊相対論は、加速度運動していない特殊な場合のみ成り立つもの
  • 一般相対論は、一般に適用され、万有引力を使わずに重力を解釈するもの
  • 特殊も一般も時間の遅れを扱うけど、全然意味が違うから分けて考える必要あり。

(双子のパラドクスとかGPSとかは、理解が更に浅いので触れないでおこう。)