相対性理論とは?簡単に要点まとめ!

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今年2015年は、天才的物理学者アルベルト・アインシュタインが「一般相対性理論」を世に送り出してから、丁度100年目に当たります。

相対性理論は量子力学と並んで20世紀物理学の2大革命と言われ、サイエンスの飛躍的発展に貢献しました。

<アインシュタインの生涯> 1879-1955

19_ 相対論入門講座>アインシュタインの生涯

アインシュタインと言うと、「時空」という言葉を思い出します。

私達の住む3次元空間に絶対不変と考えていた“時間”は空間と密接に結び付き、お互い影響し合って変化しているという時空、即ち3+1=4次元の概念を提唱しました。

この理論が一般の人に分かりにくいと言われるのは、私達の常識・直観と余りにもかけ離れているからなのです。
常識や直観が全て真理を見通しているとは限りません。常識・直観を脇に置いて考えて見ましょう。

この分かりにくい原理の根本に“光”の性質があるのです。

光の素(もと)、

“光子は質量が無く、いかなる物質も光の速さを超えられない”

と言う真理から、出て来たものなのです。

この理論が実は原子力、使い方によっては悪魔の原子爆弾なるアインシュタインが提唱したエネルギーの原理E=mc2(後述)にも繋がっているのです。

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特殊相対性理論

アインシュタインが相対性理論を発表するまでの物理学は、ガリレオ ⇒ ニュートンに繋(つな)がる古典力学で代表されていました。
その古典力学は私達が理解できる自然現象をうまく体系化してくれていました。

そこに常識を覆すような原理をアインシュタインが提唱したのです。

その手始めが等速直線運動(*)に適合する、限定的意味合いを込めた「特殊相対性理論」です。

“相対”とは“絶対”の反対語です。観測者によってはどれも正しいと言うことを、理論化したと言っても良いでしょう。

(*)一定の速度で直線的に進む運動、速度を変える運動は加速度運動

理論の要点は次の通りです。

  1. この世には光の速度を超えるものはなく、光の速度は、常に一定の速さ30万km/秒です。
  2. 動いているものは、それが止まっているものより時間の進み方が遅いのです。

    ある2つの出来事が、止まっている人にとって同時に起こったように見えても、動いている人には同時でないように見えます。

    長さに本当の長さなどなく、ものが動いているか止まっているかによる相対的な違いに過ぎず、どちらも正しいのです。

  3. 今迄の物理学で別個に扱われてきた時間と空間を、「時空」という互いに影響を及ぼし合う一つの概念にまとめました。
  4. 質量保存則やエネルギー保存則は別物でなく、互いに密接に絡み合っています。
    両者は形を変えてE=mc2(**)で表されます。質量とエネルギーが変換されると言う画期的な法則です。
    (**)E:エネルギー、m:質量、c:光の速さドイツ・オーストリア・イタリアの化学者・物理学者達が、ウランの原子核に中性子を当てると、原子核分裂が起こり、質量が少し減り大量のエネルギーが放出、かつ連鎖反応が起こることを発見しました。
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一般相対性理論

特殊相対性理論の前提であった等速直線運動から、より一般的な「速度が変わり(加速度運動)、曲がる運動(重力が係わる運動)」に広げた運動に理論を拡大したのが一般相対性理論です。

一般相対性理論は高度な数学を駆使して導き出された理論です。

ここではさわりと結論を紹介しましょう。

  1. 重力と加速度は同じ価値を持ちます(等価原理と言います)。即ち加速度運動をすれば重力が作り出せるのです。

    重力は地球だけに働く力ではなく、質量がある物体(太陽・月など)にはどれにも働きます。この重力を一般相対性理論の中に取り込みました。

  2. 物体があると重力が働き「時空」がゆがみます。
    別の言い方をすれば、ゆがんだ時空の中の物体には重力が働きます。

    これは時空と物体がお互い影響し合うことを意味し、一般相対性理論では「時空」と「物体(言い換えれば重力)」を統一的に扱うことに成功したのです。

    天文学者が皆既日食観測時、太陽の直ぐ近くにある星が本来見えるべき位置からずれて観測されたことから、太陽という巨大な質量を持った物体を通る光は、進路が曲げられることで理論の正しさが証明されました。

  3. アインシュタインの理論の数式を元に、ドイツの天文学者が自分で数式を展開し、物質が1点に集中した時“時空が どうゆがむか”という、今で言うブラックホールの概念を説明しました。

    これはのちにNASAのx線天文衛星の観測(白鳥座x-1)で裏付けられました。

  4. 加速度運動を行うものは止まっているものや等速直線運動を行うものより、時間の進み方が遅くなります。

    この理論がSF小説

    「宇宙船に乗った飛行士が、光速に近いスピードで飛行し、1年後に帰ったら皆すっかり老(ふ)け、自分より若かった子供が自分より年齢が上になっている(いわゆる浦島太郎伝説)」

    の根拠になっています。

  5. 重力の影響を受けているものは重力の影響のないものより時間の進み方が遅くなります。
    この様に一般相対性理論は宇宙論に繋(つな)がる壮大な理論だと言うことが、お分かりいただけたでしょうか?

einstein-645461_640【出典:http://pixabay.com/】

以上アインシュタインの相対性理論全般をさっと撫(な)でる程度に見て来ましたが、興味の湧いた人はもっと詳しい専門書を紹介しますので読んで見てください。

<もっと知りたい人はこちら↓>
・図解 相対性理論と量子論―物理の2大理論が1冊でわかる本
佐藤 勝彦 (監修)

・「相対性理論」を楽しむ本―よくわかるアインシュタインの不思議な世界 (PHP文庫) 文庫 – 1998/12
佐藤 勝彦 (監修)

・特殊および一般相対性理論について
アルバート・アインシュタイン著

ライター:sige G



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