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2017年版6月30日はアインシュタイン記念日。功績や生涯。相対性理論についての解説。

公開日: : 最終更新日:2017/06/23 はやりもの


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こんにちは、ヒロです。

6月30日はアインシュタイン記念日です。また、別の記事でも言ってますが、この日は、トランジスタの日でもあります。科学の日と言ってもイイ日ですね。

今回はアインシュタインについて色々みて行きましょう。

また、この日は、ハーフタイムデーとも言われており、一年の折り返しでもあります。今年も半分過ぎたんですね。早すぎです(⌒-⌒; )

アインシュタイン記念日とは?


1905年のこの日、アインシュタインが相対性理論に関する最初の論文「運動物体の電気力学について」をドイツの物理雑誌『アナーレン・デル・フィジーク』に提出した。当時、アインシュタインはスイス連邦特許局の無名の技師だった。

アインシュタインとは?

アインシュタインは、それまで絶対的な理論だと思われていたニュートン力学を大幅にバージョンアップした相対性理論を作った人として有名です。
この理論を紐解くことで、宇宙の仕組みやミクロの世界、時間の概念などが変わりました。
E=MC^2という式は、物体を大きなエネルギーに変換することが出来るエネルギー問題を解決する画期的な公式でしたが、原子爆弾も生み出してしまいました。

アインシュタインについての詳細は下記を参照ください。

アインシュタインとは?

アルベルト・アインシュタイン(独: Albert Einstein、1879年3月14日 – 1955年4月18日)は、ドイツ生まれのユダヤ人の理論物理学者。

特殊相対性理論および一般相対性理論、相対性宇宙論、ブラウン運動の起源を説明する揺動散逸定理、光量子仮説による光の粒子と波動の二重性、アインシュタインの固体比熱理論、零点エネルギー、半古典型のシュレディンガー方程式、ボーズ=アインシュタイン凝縮などを提唱した業績により、20世紀最大の物理学者とも、現代物理学の父とも呼ばれる。特に彼の特殊相対性理論と一般相対性理論が有名だが、光量子仮説に基づく光電効果の理論的解明によって1921年のノーベル物理学賞を受賞した。

音楽学者でモーツァルト研究者のアルフレート・アインシュタインは従弟と見なされる場合があるが、無関係説もある(後述の通りアインシュタイン自身も音楽好きでヴァイオリンの演奏が趣味であった)。

数多くの業績のほか、世界中に広くその存在が認知されており、しばしば天才の代名詞としても引き合いに出される。1999年、アメリカのニュース週刊誌『タイム』は、アルベルトを『パーソン・オブ・ザ・センチュリー』(20世紀の人)に選出した。

アインシュタインの業績


1905年に特殊相対性理論を発表。20世紀に於ける物理学史上の2大革命として量子力学および相対性理論が挙げられるが、以前から論理的に展開されていた相対性原理(アンリ・ポアンカレ、ジョゼフ・ラーモア、ヘンドリック・ローレンツなど)をもとに、ニュートン力学とマクスウェルの方程式を基礎とする物理学の体系を根本から再構成した。特殊相対性理論では、質量、長さ、同時性といった概念は、観測者のいる慣性系によって異なる相対的なものであり、唯一不変なものは光速度cのみであるとした。

特殊相対性理論は重力場のない状態での慣性系を取り扱った理論であるが、1915年-1916年には、加速度運動と重力を取り込んだ一般相対性理論を発表した。一般相対性理論では重力場による時空の歪みをリーマン幾何学を用いて記述している。さらに後半生の30年近くを重力と電磁気力を統合する統一場理論を構築しようと心血を注いだが、死により未完に終わっている。

一般相対性理論の解として、宇宙は膨張または収縮をしているという結論が得られる。アインシュタインは重力による影響を相殺するような宇宙項Λを場の方程式に導入することで、静的な宇宙が得られるようにした。しかし、エドウィン・ハッブルによって、宇宙の膨張が発見されたため、アインシュタインは宇宙項を撤回した。後に宇宙項の導入を「生涯最大の失敗」と述べている。しかし、宇宙望遠鏡による超新星の赤方偏移の観測結果などから、宇宙の膨張が加速しているという結論が得られており、この加速の要因として、宇宙項の存在を挙げる学説が存在する(詳細はダークエネルギーを参照)。

光量子仮説によって光電効果の理論的な説明付けを行うなど、初期量子論の確立に多大な貢献をした。しかし、量子が確率論的に振舞うとする量子力学自体については、アインシュタインは、「神はサイコロを振らない」[† 4]と懐疑的な立場をとった。局所実在論を支持していたアインシュタインは量子力学の矛盾点の一つとしてアインシュタイン=ポドルスキー=ローゼンのパラドックスを提示したが、後にベルの不等式の破れが実証されると局所実在論は破綻し、ERP相関として知られるようになった。

その他、ブラウン運動の理論の構築、固体における比熱の理論である「アインシュタインモデル」の提唱、ボース=アインシュタイン凝縮の予言など、物理学の全領域にわたり多大な業績をあげている。



アインシュタインの生涯



生い立ち

1879年3月14日、ドイツ南西部のバーデン=ヴュルテンベルク州ウルム市にて、父親ヘルマン・アインシュタイン(ドイツ語版)と母親パウリーネ・コッホ(英語版)との間に長男として生まれる。 1880年に、ミュンヘンに引っ越し、父と叔父ヤコブが直流電流に基づいて電気機器を製造する会社「Elektrotechnische Fabrik J. Einstein & Cie」を設立。1880年から1894年の間、ミュンヘンに居住した。

アインシュタインは、5歳頃まであまり言葉を話さなかったと伝えられる。そのことで、単なる記号処理的な頭脳の働きでなく、全体を把握する能力を養ったという意見もある。5歳のときに父親からもらった方位磁針が、自然界の仕組みに対する興味をもたらすきっかけとなった。また、6歳頃にはヴァイオリンを習い始めた。

アインシュタインは敬虔なアシュケナージ系ユダヤ人ではなかったため、5歳から3年間、ミュンヘンにあるカトリック系の公立学校へ通ったが、その校風になじめなかった。卒業後はミュンヘンのルイトポルト・ギムナジウム(英語版)に入学。以後7年間、ドイツに行くまで教育を受ける。しかし、ここでもまた軍国主義的で重苦しい校風になじめなかった。

幼少の頃は、言葉を理解したり話したりするのは得意であったが、アウトプットするのに時間を要した。一方で数学に関しては傑出した才能を示し、9歳のときにピタゴラスの定理の存在を知り、その定理の美しい証明を寝る間も惜しんで考え、そして自力で定理を証明した。12歳のときに叔父からユークリッド幾何学の本をもらい独習。微分学と積分学も、この当時に独学で習得したといわれている。同じ頃、医学生だったマックス・タルメイから天文学の存在を知り、同時に物理学に関心を示すようになったという。

1894年、父親が事業に失敗したために一家はイタリアのミラノに引っ越すが、ギムナジウムを卒業する必要からアインシュタインはミュンヘンに残されることになる。しかし、規則ずくめで軍国主義的な校風に反逆して、家を追ってイタリアへやってきた。



チューリッヒ連邦工科大学へ


1895年、スイスのチューリッヒ連邦工科大学を受験するも失敗。しかし数学と物理の点数が最高点だったがため、アーラウのギムナジウム(ドイツ語版)に通うことを条件に、翌年度の入学資格を得られることになった。アーラウの学校の校風はある程度自由が保障されており、さらにこの学校は視覚教育に力を入れていた。言語に障害があったアインシュタインに、この視覚教育はよく合っていた。そして、昔培った視覚能力をそのアーラウでさらに高めた。それがのちの研究者としての人生に大きく関わることになる。なお、この頃には兵役義務を逃れるためにドイツ国籍を放棄している。これにより、以後スイス国籍を取得するまで無国籍となった。

ある晴れた日の昼休み、アインシュタインは学校の裏にある丘に寝転んで空を眺めていた。いつの間にか眠り込んでしまい、不可思議な夢を見た。それは、自分が光の速さで光を追いかける夢であったという。彼は目が覚めると、すぐに思考実験を試みた。これが後の相対性理論を生み出す切っ掛けになったといわれている。

1896年、ギムナジウムを卒業。10月、チューリッヒ連邦工科大学への入学を許可される。大学では物理学を専攻し、自由な気風と数人の学友、そしてミレーバ・マリッチという女学生と出会う。チューリッヒ連邦工科大学は女性に門戸を開いていた当時の数少ない大学の一つであった。アインシュタインは大学の講義にはあまり出席せず、自分の興味ある分野だけに熱中し、物理の実験は最低の「1」、電気技術では優秀な「6」の成績をとっている。大学時代は、化学の実験中に爆発事故を起こし、学校をパニックに陥れてしまったこともあった。彼は教師には反抗的で、授業をよく休んだ。[8]。

1900年、7月チューリッヒ連邦工科大学を卒業したが、大学の物理学部長ハインリヒ・ウェーバー(英語版)と不仲であったために、大学の助手になれなかった。保険外交員、臨時の代理教員や家庭教師のアルバイトで収入を得つつ、論文の執筆に取り組んだ。

1901年、スイス国籍を取得。スイスもまた兵役義務を課していたが、アインシュタインは扁平足・静脈瘤等の診断からこれを免除される(偏平足は行軍等に支障をきたすとされる)。



特許庁への就職


1902年、友人のマルセル・グロスマンの父親の口利きでベルンの、スイス特許庁に3級技術専門職(審査官)として就職した。年俸は3,500スイス・フランであった。ここで好きな物理学の問題に取り組む自由がたっぷりでき、特許申請書類の中のさまざまな発明理論や数式を知る機会を得る。この頃、モーリス・ソロヴィーヌ(英語版)、コンラット・ハビヒト[9]らと「アカデミー・オリンピア(ドイツ語版)」を設立した。同じ頃、父親ヘルマンが死去する。ミラノで埋葬を済ませると、再びチューリッヒに戻り、間もなくしてベルンに移った。

1903年1月6日にミレーバと結婚し、アーレ川の近くにあるアパートに暮らす。翌年には長男ハンスを授かる。



「奇跡の年」以降


1905年の26歳の時に3つの重要な論文を発表する。1905年に博士号を取得すべく「特殊相対性理論」に関連する論文を書き上げ、大学に提出した。しかし内容が大学側に受け入れられなかったため、急遽代わりに「分子の大きさの新しい決定法」という論文を提出し、受理されている。この論文は「ブラウン運動の理論」に発展した。この年は「奇跡の年」として知られている。アインシュタインは「光量子仮説」「ブラウン運動の理論」「特殊相対性理論」に関連する五つの重要な論文を立て続けに発表した。バスの乗車中にベルンの時計台の針が不動に見えることから着想した無名の特許局員が提唱した「特殊相対性理論」は当初、周囲の理解を得られなかったが、マックス・プランクの支持を得たことにより、次第に物理学界に受け入れられるようになった。

1906年、2級技術専門職へ昇進。年俸も4,500スイス・フランへと昇給された。

1907年、有名な式E=mc²を発表している。この年には、箱の中の観測者は、自らにかかる力が慣性力なのか重力なのか区別ができないという、後の一般相対論の基礎となるアイディア(等価原理)を考案する。アインシュタインはこれを、生涯最良の名案であると述べている。

アインシュタインが過ごしたベルンのクラム通り49番地は、現在アインシュタイン・ハウスという名の記念館となっており、アインシュタイン一家が使っていた家具が当時のスタイルのまま再現されている。また、ベルン市内にあるベルン歴史博物館には、アインシュタインの業績や生涯を紹介するアインシュタイン・ミュージアムが入っている。


1911年のソルベー会議でのアインシュタイン
1909年、特許局に辞表を提出。チューリッヒ大学の助教授となる。この年には彼の生涯で初となる名誉博士号がジュネーヴ大学より授与されている。

1910年、プラハ大学の教授となる。次男エドゥアルト誕生。1911年、ソルベー会議に招待された。同年プランクにより、ベルリンのカイザー・ヴィルヘルム物学研究所の所長に推薦された。

1912年、母校、チューリッヒ連邦工科大学の教授に就任(その契約は妻ミレーバが行ったとされる)。アインシュタインは僅か1年で再びチューリッヒに戻ることになるのだが、これによりプラハ大学では彼と大学との間に問題が生じたのではないかとの噂が生じてしまう。彼はプラハ大学学長宛てに礼状を書き、これを否定したという。

1913年、プロイセン科学アカデミーの会員となる。アインシュタインはベルリンに移住することになるが、彼とは不仲の状態にあったミレーバは子供を連れて再びチューリッヒに戻ってしまい、別居状態となる。

1914年、第一次世界大戦が勃発する。この頃、知識人に向けて『ヨーロッパ人への宣言』で平和行動について書いている[12]。

1915年、ロマン・ロランと出会う。意気投合した二人は、命がけで平和運動をしている人々を手助けする方法について話し合ったという。

1916年、一般相対性理論を発表。この理論には星の重力により光が曲げられるという予言も含まれていた(これは後に実証される)。

1917年、肝臓病や黄疸といったいくつかの病がアインシュタインを襲う。病院は怪我をした兵士で一杯になっており、一般人は入院できず、自宅で療養することになる。この数年間、いとこのエルザ・レーベンタール(ドイツ語版)が看病にあたる。

一般相対性理論の立証のため、クリミア半島でアメリカ人ウィリアム・キャンベルに依頼し、皆既日食の観測を試みるも、曇天だったがために失敗する。また、第一次世界大戦開戦でドイツのスパイと誤認され捕虜となる。

1919年、皆既日食において、太陽の重力場で光が曲げられること(いわゆる、重力レンズ効果)がケンブリッジ天文台のアーサー・エディントンの観測により確認されたが理論の立証にはまだ不充分であった。しかし、このことにより一般相対性理論は物理学理論としての一定の地位を得る。この事は世界のマスコミにも取り上げられ、これによってアインシュタインの名は世界的に有名となった。一方、彼がユダヤ人であるとの理由から、ドイツ国内における彼と相対性理論に対する風当たりは強かった。なお、この年の2月に親友のフリッツ・ハーバーの仲裁も空しくミレーバと離婚し、6月にはエルザと再婚している。なお、ハーバーはユダヤ人であったが、改宗してドイツ軍の毒ガス兵器の開発に貢献している。

キャンベルは、アメリカ・ワシントン州で再度日食を観測、曇天の隙間があり撮影には成功したが立証にはいたらなかった。しかし敵国人アインシュタインの名がアメリカで初報道された。

この間、理論の証明は日食観測によるよりも、数式上の確度の立証に移り、水星軌道の変則性から、ニュートンの理論の誤りを数学者のダフィット・ヒルベルトとほぼ同時に発見したが、ヒルベルトは、その功績をアインシュタインに譲っている。

ケンブリッジのエディントンは、戦勝国者で、戦後も自由に海外渡航が出来、アフリカのプリンシペのジャングルで日食を観測、理論の立証を発表したが、学会での認証は得られなかった。1922年に皆既日食が豪州で観測されるとあって、キャンベルを初め七つの観測隊が派遣されたが、キャンベル隊のみが撮影に成功し、エディントンを立証、ここに一般相対性理論は確立した。

1921年、カイム・ワイズマンの提案により、エルサレムに創立予定のヘブライ大学の建設資金を集めるためにアメリカを訪問し、その帰りにはイギリスも訪問した(ここではニュートンの墓を訪ねた)。

1922年3月にフランスを訪れた他、10月には日本への訪問を目的に夫婦で客船「北野丸」に乗船。11月17日に訪日したアインシュタインは、その後43日間滞在している(#アインシュタインと日本参照)。また、日本へ向かう最中、11月9日にアインシュタインは前年度に保留されていた1921年度のノーベル物理学賞受賞の知らせを受けている。受賞理由は「光電効果の発見」によるものであった。当時、アインシュタインが構築した相対性理論について「人類に大きな利益をもたらす様な研究と言えるのかと言えば疑問」との声、更には「ユダヤ的」であるとするフィリップ・レーナルト或は、ヨハネス・シュタルクなどノーベル物理学賞受賞者らの批判があった。ノーベル賞委員会は、これらの批判を避けるために、光電効果を受賞理由に挙げたと言われている。なお、受賞に際して賞金も授与されたが、これはかつての妻ミレーバに渡したとされる。

1923年、日本を出国した後、エルサレム、スペインを訪問しドイツへと戻る。7月11日にスウェーデンのヨーテボリでノーベル賞受賞の講演を行っている。

1925年、インドの物理学者サティエンドラ・ボースからの手紙をきっかけとして、ボース=アインシュタイン凝縮の存在を予言する論文を発表。また、この時期に行っていた誘導放出の研究が、後のレーザーの開発につながっている。

1929年、ベルギー王家を訪問。ベルギー王妃エリザベートと親交を交わす。

1930年、ベルリン郊外、カプート(ドイツ語版)という町に別荘を建てる。1932年、アメリカへ3度目の訪問をすべくドイツを発つ。しかし、翌年にはドイツでヒトラー率いるナチスが政権を獲得。以後ユダヤ人への迫害が日増しに激しくなっていったため、アインシュタインがドイツに戻ることはなかった。

1933年、ベルギー王妃の厚意により、ベルギーの港町デ・ハーン(フランス語版、英語版)に一時身を置く。しかしこの町はドイツとの国境に近かったため、ドイツの手が及ぶのを恐れたアインシュタインはイギリス、スイスへの旅行の後、再度イギリスへと渡る。その後アメリカへと渡り、プリンストン高等学術研究所の教授に就任。また、プロイセン科学アカデミーを辞任。なお、この年にはアインシュタインの別荘をドイツ警察が強制的に家宅捜索している。その後ドイツはアインシュタインを国家反逆者とした。

1935年、ボリス・ポドリスキー、ネイサン・ローゼンと共にアインシュタイン=ポドルスキー=ローゼンのパラドックスを発表する(量子力学と相対性理論の矛盾)。また、アメリカでの永住権を申請、取得する。アメリカ国籍も申請。

1936年、ローゼンと共にワームホール(アインシュタイン・ローゼン橋)の概念を発表する。この年に妻のエルザが死去。

1939年、当時のアメリカ合衆国大統領であったフランクリン・ルーズベルト宛ての、原子力とその軍事利用の可能性に触れた手紙に署名。その手紙は「確信は持てませんが、非常に強大な新型の爆弾が作られることが、十分に考えられます。この爆弾一つだけでも、船で運んで爆発させれば、港全体ばかりかその周辺部も壊すことができるほどの威力を持っています」という内容だった。

1940年、アメリカ国籍を取得。1943年、アメリカ海軍省兵器局の顧問に就任。魚雷の起爆装置の改善に尽力[14]。

1945年、広島市への原子爆弾投下報道に衝撃を受ける。9月2日に第二次世界大戦終結。連合国の一員であるアメリカは戦勝国となったが、アインシュタインは「我々は戦いには勝利したが、平和まで勝ち取ったわけではない」と演説する(ちなみに、ある日本人の記者が後にアインシュタインを訪ねた際、彼は記者に「敗戦国である日本には大変深く同情する。しかし戦勝国も暗い道を歩いている」と述べたことがあるという)[要出典]。

1946年、原子科学者緊急委員会議長の役目を引き受ける。また、国連総会に世界政府樹立を提唱する手紙を送る。

1948年、イスラエル建国。アインシュタインはハンナ・アーレントらユダヤ系知識人と連名で、訪米中のメナヘム・ベギンとその政党ヘルート(ヘブライ語版、英語版)をファシストと呼び、イスラエルのデイル・ヤシンの虐殺事件などのテロ行為を非難する書簡をニューヨーク・タイムズ紙上に発表する。なおこの頃、アインシュタインの腹部大動脈に大きな動脈瘤が存在することが手術の結果判明する。

1952年、イスラエル初代大統領ハイム・ヴァイツマンが死去したため、イスラエル政府はアインシュタインに対して第2代大統領への就任を要請したが、彼はこれを辞退している。しかし、自分がユダヤ人であることを決して忘れてはおらず、著作権をヘブライ大学に送っている。



死去


1955年4月11日、哲学者バートランド・ラッセルとともに核兵器の廃絶や戦争の根絶、科学技術の平和利用などを世界各国に訴える内容のラッセル=アインシュタイン宣言に署名する。4月13日、建国7周年を迎えるイスラエルと同国国民へ寄せるラジオ放送に関する打ち合わせ後、心臓付近の痛みに倒れる(腹部動脈瘤の破裂)。4月15日にプリンストン病院に入院し、周囲から手術を勧められるもこれを拒否。入院中の間、駆けつけた長男ハンスと面会した他、病院でも研究を続けるべく秘書に電話を掛け、必要な用具を持って来るよう伝えてもいる。そして4月18日の午前1時過ぎ、アインシュタインは76歳の生涯を終える。彼は死の間際にドイツ語で最後の言葉を遺したが、その場にいた看護師がドイツ語を理解できなかったため、彼が最後に何を言っていたのか、その内容については不明。アインシュタインの死後、同年7月9日には彼が生前に署名したラッセル=アインシュタイン宣言が発表された他、12月17日にはプリンストンで彼を偲ぶコンサートが開かれ、モーツァルトのピアノ協奏曲第26番、バッハのカンカータ第106番などの曲目が演奏された。

相対性理論についてわかりやすく簡単に解説

相対性理論とは?


相対性理論とは、アインシュタインが1905年から作り上げた物理の理論で、相対論と略されます。その内容は「ものが縮む」「空間が曲がる」など、非常に難解なものになっています。また、アインシュタインの式と言われるE=mc2
E
m
c
2
という式を見たことがある人もいるのではないかと思いますが、これも相対性理論の一つを表しているものです。

相対性理論は大きく二つに分かれます。「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」というものです。特殊相対性理論の方が難しそうですが、実際は一般相対性理論のが何倍も難しいです。

今回は特殊相対論・一般相対論のエッセンスのみをお届けします。



どんな現象が起きるの?


最初に相対性理論とはどのような現象を指すのかを書いてしまおうと思います。

(特殊)と(一般)は、それぞれ特殊相対論から分かること・一般相対論から分かること、という意味を表しています。

相対性理論の現象


結果1 光の速度よりも速く動けるものはない(特殊)

結果2 光の速度に近い速さで動くものは、縮んで見える(特殊)

結果3 光の速度に近い速さで動くものは、時間が遅く流れる(特殊)

結果4 重いもの*1の周りでは、時間は遅く流れる(一般)

結果5 重いものの周りでは、空間が歪む(一般)

結果6 重さとエネルギーは同じ(特殊)

というものです。一つ一つ簡単に説明を加えます。

結果1 光の速度よりも速く動けるものはない*2

文書そのままで、光の速度よりも速く動けるものはないということです。光というのは1秒で地球7周半ほど進める速さです*3。これはものすごい速さですが、無限に速いわけではありません。

つまり将来、いくらテクノロジーが発達してものすごい速さの新幹線やロケットができたとしても、それは光の速さを超えられないのです。*4

発展 なぜ光の速さを超えられないのかの説明☆

相対性理論によると、スピードがあるものは、若干重くなります。つまりあなたが止まっているときと、走っているときでは走っているときの方が体が重くなるのです。*5*6

体が重くなると走り辛くなるでしょう。つまりスピードが出し辛くなります。

それでも頑張ってもっとスピードを出したとしましょう。するともっと体は重くなります。もしも光の速度で走ると、あなたの重さは無限になります。そして体が重すぎてこれ以上[つまり光の速さ以上]スピードを出すことができなくなるのです。

結果2 光の速度に近い速さで動くものは、縮んで見える
image
この図で、左側ではロケットは止まっています。右側ではロケットが光の速度に近いスピードで飛んでいます。[結果1]で説明したように、光の速さより速く飛ぶことはできません。

すると右のロケットは止まっているときよりも縮んで見えます。このロケットは横に動いているので、縮むのは横方向のみです。縦方向には縮んでいるように見えません。

結果には“光の速度に近い速さで動くものは”と書きましたが、実際には光の速度に近くなくてもかまいません。そのへんを走る車も、歩く人も、実は縮んでいるのです。ただ、縮む量があまりにも小さすぎて、僕たちの目には識別できないのです。

目に見えるぐらい縮んで見えるには、光の速度に近い速さで動く必要があります。

発展 逆にロケットから地球を見ると…☆

地球からロケットを見るとロケットは縮んで見えるので、ロケットから地球を見たら地球は伸びて見えるのでしょうか?

答えは[ロケットから見ても、地球は縮んで見える]が正解です。この理由の説明は非常に難しいですが、限りなく簡単に言うのならば、“地球から見ると動いているのはロケットだが、ロケットから見ると動いているのは地球だから”ということになります。

「周りから見ると動いているのは電車だけど、電車の中から見ると動いているのは周りの景色」というのと似ています。

結果3 光の速度に近い速さで動くものは、時間が遅く流れる
image


図の左側では、ロケットが止まっています。このときロケットの時間と地上の時間は同じですが、右の図を見ると、ロケットの時間の方が遅れています。こういったことが起こるのです。

結果には“光の速度に近い速さで動くものは”と書きましたが、実際は光の速度でなくともかまいません。結果2と同じですが、そのへんを走る車も、歩く人も、飛ぶ飛行機も、実は時間は遅く流れているのです。ただ、遅くなる時間の量があまりにも小さすぎて、僕たちの間隔では捉えることができないのです。

頭で分かるぐらい遅れるには、光の速度に近い速さで動く必要があります。

結果4 重いものの周りでは、時間は遅く流れる

重いものの周りでは、時間が遅く流れます*8。

image

繰り返しになりますが、僕たちがこの効果を感じるのは宇宙の巨大な星やブラックホールなど“めちゃくちゃ重いものの周り”に限られます。上の図は誇張してますので。

またこの文章を裏返すと「重いものから離れると、時間は早く流れる」となります。僕たちは地球という重い星の上にいますので、「海の底」と「エベレストの頂上」では、地球から離れている「エベレストの頂上」の方がちょっぴり時間が早く進んでいることになります。

結果5 重いものの周りでは、空間が歪む

これも大変難しいことです。どのように歪んでいるのかは分かりませんが、とにかく歪んでいるのだそうです。

天体級に重いものになると、空間を極端に曲げ、そこを通る光さえも曲げてしまうのです。

結果6 重さとエネルギーは同じ

今までエネルギーとは、力がかかっていたり*9、熱をもっていたり、電気が流れていたり、ものが動いていたりしないとないものだと考えられていました。

しかし相対性理論を解いていくと、止まっているものにもエネルギーがあることが分かりました。

そしてそのエネルギーは重さに比例するのです。
image
それを表した式が有名なアインシュタインの式

E=mc2
E
m
c
2
です。ここでE
E
はエネルギー、m
m
が重さ*10、c
c
は光の速度を表します。

光の速度は決まっていて定数なので、E
E
とm
m
が比例していることが分かります。つまり重いものはそれだけでエネルギーが大きく、軽いものはエネルギーが小さいということになります。

イメージ動画


上のものをイメージしやすいように、ユーチューブからリンクを貼っておきます。5分ちょうど辺りから、相対性理論の効果を極端に表した「アインシュタインランド」という世界の説明が始まりますので、参考にして下さい。


アインシュタイン 相対性理論 第1回 part1 – YouTube



相対性理論の実例


実際に使われている相対論の実例として、GPSを紹介します。上で説明した通り、相対論はかなりスケールの大きい話にならないと見えてきません。自然と実例もビッグなスケールのものになります。*11

GPSと相対性理論


僕たちが使っているカーナビなどに、GPSが使われています。これのおかげで僕たちは道に迷わずにすむわけですが、正確な情報を得られるのはGPS衛星の中の時計が正確に動いているおかげです。

GPS衛星ですが、地球の周りをものすごいスピードで毎日グルグルとまわっています。ものすごいスピードでまわるので、[結果3 光の速度に近い速さで動くものは、時間が遅く流れる]から、GPS内の時計は遅れてしまいます。

一方、GPS衛星というのは地表から2万キロメートル(※ブコメでのご指摘ありがとうございます)以上の高度にあります。すると今度は[結果4 重いものの周りでは、時間は遅く流れる]を言い換えた「重いものから離れると、時間は早く流れる」が関係してきます。この効果により、GPS内の時計は進んでしまいます。

まとめると[結果3]から時計は遅れ、[結果4]から時計は進みます。実際に計算をすると[結果4]の方が影響が大きいため、全体として時計は進んでしまうのです。

GPS計算はこれによる補正を自動で行うため、僕たちは正しい位置情報を得ることができます。この補正がなければ1日に10km以上のずれが生じてしまい、使い物にならないのです。

まとめ

アインシュタインの理論は最初は、理解しがたい理論と言われてたが、結果的には現代科学には欠かせない重要な理論となっている。すごすぎるが故に原子爆弾という恐ろしいものも生み出してしまったが、どんな便利なものも使う人によって良くも悪くもなるので晩年アインシュタインが活動した平和への思いを忘れないようにしていかなければならないですね。







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