「アインシュタインの相対性理論」とは?わかりやすくご紹介します

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アインシュタイン

アインシュタインと言えば、「相対性理論」と舌を出したおどけた写真(上の画像)で有名ですね。

しかし、「相対性理論」の内容については、知らない方も多いのではないでしょうか?

1.アインシュタインの「相対性理論」とは

「相対性理論」とは、簡単に言うと「特殊相対性理論」(1905年発表)と「一般相対性理論」(1916年発表)のことで、どちらもアインシュタインによって提唱されたものです。

多くの場合、「相対性理論」と言うと「特殊相対性理論」のほうを指します。

「特殊相対性理論」は、光の速さは絶対的だという「光速度不変の原理」と、時間は相対的なものだという「時間の相対性」が前提になります。

「時間」と「空間」は独立したものではなく、相互に関係しているという認識に基づくものです。

「光速度不変の原理」は、光の速度は常に変わらないということです。

つまり、電車に乗っていようと、地面に座っていようと、誰から見ても光は30万km/秒(1秒間に地球を7回り半)で移動します。

「時間の相対性」は、同じ速さで動いているならば、止まっている時と同じ物理現象が起こるということです。

つまり、電車の中でリンゴを落としても、電車に乗っている人から見れば、リンゴは止まっている時と同じように真下に落下するということです。

(1)特殊相対性理論

特殊相対性理論の結論は次の4つです。

光速に近づくと、時間の流れが遅くなる(通称「ウラシマ効果」)

「ウラシマ効果(浦島効果)」によれば、宇宙飛行士が「亜光速」(光に近い速度)で宇宙のどこかへ行き、そして地球に帰って来た場合、地球では宇宙飛行士が経験した年数よりも長い年月が経過していることになります。

これは日本のSF作家などが浦島太郎の説話になぞらえて呼び始めた通称です。

たとえば、光速の90%の宇宙船内に居た人と、ずっと静止したままの人がいた場合、静止したままの人の時計が1年経過した時、宇宙船内に居た乗組員は0.44年しか時間が経過していません。

光速に近づくと、空間が縮む(曲がる)

光速に近づくと、質量(=エネルギー)が増える

質量とエネルギーは同じもの

(2)一般相対性理論

一般相対性理論」は、「特殊相対性理論に「重力」や「加速・減速」の影響を加味した理論です。

「一般相対性理論」の結論は次の2つです。

重力は空間(光)を曲げる

これについては、太陽の周囲で光が曲がる現象が観測されています。

重力が大きければ大きいほど、光の曲がり具合も大きくなり、一定以上重力が大きくなると、光さえも吸い込まれる空間の歪みが生じます。これがいわゆる「ブラックホール」です。

重力は時間を遅らせる

2.ニュートンの「万有引力の法則」とアインシュタインの「相対性理論」との関係

アイザック・ニュートン(1642年~1727年)の「万有引力の法則」によって、重力の多くは解明できました。

「万有引力」は、「万物(あらゆる物体)が有する互いに引き合う力」です。

リンゴが地面に落下するのは、地球の質量が非常に大きいからということです。

しかし「万有引力が当てはまらない例」や、「万有引力だけでは説明できない現象」が出てきました。

そこで考え出されたのが、アインシュタインの「相対性理論」です。

アインシュタインは、「質量によって空間は曲がり、凹凸のある空間が重力として認知される」と考えました。

つまりリンゴが地面に落ちるのは、地球が万有引力で引っ張っているわけではなく、「地球が地面に向かって下り坂を作っているためだ」というわけです。

3.アインシュタインとは

アルベルト・アインシュタイン(1879年~1955年)は、ドイツ生まれのユダヤ人の理論物理学者です。

「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で知られています。

それまでの物理学の認識を根本から変え、「20世紀最高の物理学者」とも評されます。

「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」が有名ですが、「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」を受賞しています。

4.相対性理論にまつわる面白い話

(1)アインシュタインのたとえ話

アインシュタインは、「相対性」について「熱いストーブの上に手を置いていれば、1分が1時間のように感じるでしょう。可愛い女の子と一緒にいれば、1時間が1分のように感じるでしょう。それが相対性です」と説明しています。

(2)人間の体感時間と年齢に関する「ジャネーの法則」

確かに時間の感じ方については、「人間の体感時間(心理的な時間の長さ)は、それまで生きてきた年齢に反比例する」という「ジャネーの法則」がありますね。

私は個人的には、「テンションが低い時は時間が長く感じる」「テンションが高い時は時間が短く感じる」ように思います。

(3)私が中学の先生から聞いたたとえ話

私は中学の時に理科の先生から、「相対性理論」について、「2つの列車が並行して走っている時、一方の列車がスピードを上げると、他方の列車は後退していくように見える(あるいは感じる)ようなものだ」というたとえ話を聞かされました。

適切なたとえ話だったのかどうかよくわかりません。



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