科学や宇宙に興味がある誰しもがこの言葉を目にしている。
アインシュタインが提唱した、そう「相対性理論」。
今回のちょこっと豆知識では、相対性理論の要点を
ザックリとご紹介したいと思います。
こんな事を意味しているんだ～と思ってくれたら嬉しいです。
アルベルト・アインシュタイン
credit : Wikipedia
・1879年3月14日 ドイツ生まれ（最終国籍はアメリカ)
・理論物理学者(光電効果の法則の発見等でノーベル賞受賞、他受賞）
自然界の摂理に興味を持ち、物理の世界へ。
名門チューリッヒ連邦工科大学を受験し失敗。
数学と物理の点数は１位の為条件付与の合格。
教授との不仲で助教になれず。スイス特許庁へ就職。
仕事の合間に物理学への興味と再び向き合う。
理論の提唱、二度の結婚、教授への転職を経て
戦争の影響もありアメリカの永住権を取得。
1955年4月18日 76歳で死去。
まずは、「相対」という言葉の意味をみてみましょう。
相対とは向き合うこと。他との関係の上に
存在あるいは成立していること。
相対の反対語は「絶対」です。
この「相対」という概念が「絶対」という大昔からの
自然摂理の考えを変えることになりました。
古代からの宇宙概念
大昔の人類は、自分たちが住む地球が中心となり
太陽や月、星々が回っていると思っていました。
そして国々でも宇宙に対する見解も違いました。
古代日本では「天」と「地」は分かれておらず
互いに混ざり合い混沌とした世界で「神」が生まれ、
旧約聖書では、「天」と「地」は神が作り
光と闇により、”昼”、”夜”が神により命名されたり
大昔は宗教と科学は多大な関係があったんですね。
credit：Wikipediaより
長い歴史の中で宇宙論は築き上げられ、神の世界から
学術的に宇宙を捉える時代となるものの
古代物理学の世界では
$$m\frac{ⅾ²r}{ⅾt²}＝ƒ$$
”ある時刻の位置と速度からそれ以後の運動が全て決まる。
無限に広がる等方な空間と始めも終わりもない一様な時間
そしてその中にある物は決定論的因果律に従って運動する。”
というのが古典物理の世界だったようです。
要は数学を用いて宇宙は不変で一定である
絶対時間や絶対空間という考えのもとで
位置や速さ、加速度が求められました。
特殊相対性理論
相対性原理といえば、アインシュタインさんではなく
遡ってガリレオ・ガリレイさんの提唱した理論。
ガリレオさんは絶対的静止空間の存在を否定し
天動説が支持される中、地動説を必死に唱えた人。
見る人によって物の見え方が「相対的」だと唱えたんです。
「観測者がどんな等速運動していても、物理法則は
何も変わらない」！ってことを言ってるんです。
当時、圧倒的に強固だったニュートン力学と
ガリレイの相対性原理との論争があった事を踏まえて
以下をご覧ください。
©applestar
画像引用 : Wikipediaより。マイケルソン・モーリー干渉実験機器。
エーテルの存在を仮定せずに以下二つの原理を用いた。
・相対性原理
・光速度不変の原理 (マイケルソン・モーリーの干渉実験で実証)
ざっくりというと・・・
⇒①光の速さは光源の運動によって変わる事はない。
②止まっている人から見ても、一定の速度で運動している人から見ても物理法則は変わらない。
③物質が光速に近づくほど、周囲と比べ時間がゆっくり進む。(速度によって時間と空間が伸び縮みすること。)
※エーテルとは光や電磁波などが伝わる為の仮想媒質。音波，水の波，地震波などは波を伝える物質（媒質）が存在するので、光は粒と波の性質があるなら、光にも伝える媒質があるはずだと古典物理の考えが信じられていました。その媒質をエーテルと言っていたようです。
ここまでで難しいって思う人いるかな？
分からなかったらごめんね。例え話をしよう。
①秒速10万kmで進む宇宙船で光を追いかけても、宇宙船から見た光の速さは、止まっている人が見た場合と同じように、秒速30万kmで進む！ってこと。
②地面に立ってボールを上に向かって投げても、動いている電車の中でボールを上に向かって投げても、同じようにボールは手元に落ちてきます。
③「ウラシマ効果」って聞いたことありませんか？光の速さは1秒間に地球を約7周半します。光の速さの宇宙船があったとして、Aさんが宇宙船で過ごした1秒は、地上にいたBさんの7.5日に相当します。という事は光速に近いほど時間が縮むという事になります。これは仮想理論でしたが現在では実証済み。GPSや宇宙探査で使われている原子時計ではこれを考慮し地上との誤差を埋めています。
※ニュートン力学では、皆同じ1分という考え。特殊相対性理論ではＡさんの１分、Bさんの１分でそれぞれ時間が流れているという時間を条件付き(等速線運動のみ)で”主観的”に取り扱っています。ニュートン方程式やローレンツ変換などは数学的知識不足の為、割愛させて下さい(;´∀｀)。
一般相対性理論
特殊相対性理論の確立から更に進展させた理論ですが
applestarには難しいし、リーマン幾何学は？？だし
一般相対性理論を表面上しか知りません。
特殊相対性理論は”等速直線運動”に特化してますが
日常で体験する動き、速度の変化や方向を変えたりする
「加速運動」や「重力」を加味した理論です。
『”どんな状況の”、”どこの誰からみると”、
”どんな時間の流れで”、”空間がどう見える？”』 と
考えるのが一般相対性理論の特徴なのです。
画像引用 : Wikipediaより。重力レンズ効果のイラスト。
・等価原理
・重力場により光が曲がる
ざっくりいうと・・・
⇒ ①静止または「等速運動」と「加速度運動」に絶対的な区別はなく、慣性質量と重力質量は同じである。
②速く動く物体は重くなる。
③質量をもつすべての物体は周りの空間を曲げる。
④重力場での時間の遅れ
➡ 例えば、はるか上空をＡさんが落下しているとします。Ａさんの近くに目線と同じ所でバスケットボールが落下していました。さて、Ａさんから見ると、バスケットボールは宙に浮いている＝見かけ上、「万有引力は消えた」と思える。では、バスケットボールがAさんより下にあったとしたら❔バスケットボールはどんどん地球の中心へ向かって落下している・・・万有引力が働いていると見える。それが上に書いた「局所的に重力場を消すことができる」という意味になると思います。
●なぜ動くものの質量は大きくなっていくのでしょうか？それは、エネルギーが重さに化けてしまうからなんです！物体を加速させるということは、それだけ運動エネルギーを増加させるという事です。重さというより質量が増えるという事ですね。
●光が曲がる？というより、光は直進していても重い物体によって空間が歪んだと解釈した方がいいと思います。
●重い物体は空間を歪ませ、時間の進みを遅らせます。地球上でも10cm低いと10のマイナス17乗秒ほど遅くなります。地上だと低くなるほど地球の重力が働くからです。重力影響が弱くなるほど、影響下の時間より早いという事になります。
※テンソル解析やミンコフスキー計量、その他幾何式による説明は難しすぎてapplestarにはできません(;´∀｀)
おわりに
今回、このタイトルでブログを書いた事をとても後悔しました。
いかに自分のポテンシャルが低いかという事を執筆し始めて
直ぐに実感しました(笑)でも、書き終えて思った事
アインシュタインさん１人でこの理論を
確立したわけではない！ってこと。
科学とは長い年月、理論の検証
実験の失敗や成功の繰り返しで、「今」の生活が
あるという事です。こんな便利な生活をしているのは
先人たちの知恵と汗と涙のお陰という事です。
壮大で難題な理論をちょこっとで書けるはずありません💧
話半分で読んでくれたら幸いです。では、バイバーイ💛
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