相対性理論とは何なのか？

 

 

私たちが何気なく生活しているこの世の中ですが、数学の知識や物理学の知識があらゆるところで使われているんです。

 

誰もが1度は耳にしたことがあるアインシュタインの相対性理論ですが、非常に難解な理論なのですが調べてみるととても面白い理論なんです 。

 

相対性理論と言うと学問と言うよりはエンターテイメント的な要素が多いわけですが、非常にインパクトの強い事象としては時間が遅れると言うことではないでしょうか？

実はこういった摩訶不思議な現象を説明する相対性理論ですが、この理論からも私たちはたくさんの恩恵を受けています。

 

おそらく1番身近な技術としてはGPSになるでしょう。皆さんスマホなどでGPSは普通に使いますよね？このGPSですが相対性理論なくしては生まれなかった技術なんです。

いったいGPSと時間が遅れるということに何の関連性があるのでしょうか？

 

 

それを理解するためには相対性理論のことを少しだけわかる必要があります。

 

相対性とは？

 

はじめに断っておきますが私は学者でも何でもありませんので　ふーん　といった気持ちで気軽に聞いていただけたら幸いです。

 

ここで簡単な思考実験をしてみましょう！思考実験とは頭の中の想像上で実験をすることです。

 

 

あなたは100キロで走行している車に乗っているとします。後から120キロで走ってくる車がいたとしたらどう見えるでしょうか？

 

あなたは後ろの車が20キロで近づいてくると見えるはずです。逆に100キロで走っている車がこちらに向かってきているとしたら200キロで近づいてくると見えます。

 

簡単に言うとこれが相対性になります。相対速度と言ったりもします。

 

これは特別な事でもなくごく当たり前の事なのであまり深く考えることもないでしょう。

ただこれが相対性と言うものです覚えておいてください。

 

相対性理論は何が凄いのか？

 

皆さん光ってものすごく速いスピードで進むのはご存知ですよね？

光も速度を持っています。約秒速30万キロメートルです。

 

 

先ほど思考実験をしましたが、光はスピードが速いとは言え相対性のことを考えると同じことが言えると思いますよね？

しかし光で同じような相対性の実験をすると驚くことが起きます。

 

なんと光は誰がどのような状況で見ても必ず速度は一定ということがわかっています

 

秒速30万キロですと数字が大きすぎてわかりにくいので、光の速度を時速1000キロとしましょう。100キロで走っている車に乗っているあなたは後ろから近づいてくる光が900キロで近づいてくるように見えるのが普通ですよね？

しかしこの場合でも変わらず1000キロで近づいてくるように見えるのが光なんです。逆でも同じで1100キロで見えるわけではありません、必ず速度は1000キロです。これが光の性質で光速度不変の原理と言います。

 

アインシュタインが（実際には違いますが）一体どうやって調べたのか分かりませんが実験で証明されています。となると常識ではとても考えられないような現象が起こるということがわかっています。

 

普通距離と言うのは　距離=時間×速度　で求められます。

数式を変換するとこうなります　速度=距離÷時間

速度を光速とするなら一定です。となると時間か距離が変化するという事になります。これが時空が伸び縮みする元となる考えです。

 

光速は秒速30万キロですから1秒で30万キロを進みます。光速度不変の原理がありますから30万キロ進んだ時間を1秒とする考え方が出来ます。

ここでまた思考実験をやってみましょう！

 

長さ30万キロの筒があるとして、その筒を立てます。下から光を発射し筒の上端に達するまでの時間が1秒という事になります。30万キロ進んだら1秒ですからね。当たり前です。

では同じ筒を超高速で走っている電車に乗せて同じ実験をしてみましょう。その電車を止まっているところから見るとどうなるか？

わかりやすくするためその場に止まっている自分の足元にも同じ筒を立てて同じ実験をします。同時に光を発射させて観察します。

足元にある筒は1秒で上端まで到達しますが、同時に超高速で走っている電車上にある筒はまだ上端に到達していない現象が起きます。これはいったいどういう事なのか？

 

文字だけだとわかりにくいので以下の画像を参考までに眺めてみてください。少しはイメージしやすいと思います。

 

 

光速は不変ですから、どんな状況でも必ず秒速30万キロです。つまり30万キロ進んだところが1秒なんです。

先程の思考実験ですが、超高速で走っている電車の筒の光は止まっているところからみると斜めに移動するように見えます。つまり30万キロ進んでも筒の上端に到達していないわけです。でも先程30万キロ進んだところが1秒と言いましたよね？電車の光の軌道は30万キロすすんでいるのに上端に達していないんです。しかし電車に乗っている人からみると1秒で上端まで到達しているといった現象が起きます。

これは動いている物は時間が遅れるといった考えにつながります。

 

これが世の中の真理の様です。

そんなこと言ったって早く動いたって時間は変わらないよ！と思うでしょうが私たちの生活の中では光のスピードに比べると止まっている様なものなので時間の遅れを認識出来ないだけなのです。いいかえればほぼ無視してもいいくらいの時間のズレしかないので無視してもなんら問題ないだけって事です。

 

時間って絶対的な存在ではなく、相対的なわけなんです。人それぞれに時間が存在しているとも言えるかと思います。

これはあくまで止まっている人の視点で考えた場合なんですが、電車側の視点だと逆に地上が動いているともいえるわけなんですが、しっかりとした説明は出来るのですがこれを考えるとややこしくなるのでここでは考えません。

 

時間が遅れる？

 

 

時間とは何かを考えると一番身近な答えは時計の動きだと答えるでしょうか？狂わない時計を皆さんが持っていたら皆さんの5秒間は同じでしょうか？

時間とは絶対的な物ではないようです。応えは条件によるといった事になります。

 

私たちの常識では理解しがたい現象ですが、実際に起きています。

実験でも証明されているといいましたがどんな実験なんでしょうか？

 

地球は自転しています。高い建物がたっていたらわずかですが一番上のスピードが速い事になります。同じ時間で地球を一周するわけです。一番上の方が半径が大きい事になりますからね。そこで下と上で時間を測ると下側での時間が遅くなるという事がわかっています。といっても何百兆分の1秒とかいったレベルですが、この僅か数十メートルの高さの違いで差がある事がわかっています。

 

 

実験で証明されているといってもなかなか受け入れがたい事実でありますが、この時間の遅れを考慮した技術がGPSなんです。

まだピンとこないと思いますが、GPSの仕組みを簡単に説明します。

 

GPS衛星は地球上空約2万㎞あたりをクルクル回っています。それも地上では考えられないくらいの凄いスピードで回っているんです。GPSには原子時計という世界一正確な時計が搭載されていて現在時刻と現在位置の情報を地上に発信しているんです。その信号を地上で受信しGPSでの発信時刻と地上で受信した時刻の差を調べればGPSからの距離がわかる事になります。ちなみにGPSからの電波のスピードは光と同じスピードです。

 

しかし1基のGPSからの距離だけだとGPSから一定の円上のどこかしかわかりません。もう一基のGPSで同じ事をすると交わる部分が出てきますがまだ１点を特定出来ません。さらに1基同じことをしてやっと1点に特定出来ます。（実際にはもっと沢山の信号で特定しているようですが）

 

こうやってGPSは現在位置を特定しているわけですが、現在時刻が非常に重要なのはわかったでしょうか？発信の時刻と受信の時刻の差で距離を算出するわけですから。

 

先程GPS衛星は凄いスピードで飛んでいると言いました。実際のスピードは秒速3.8Kmと言われています。1秒で3.8㎞も進むスピードです。時速に変換すると約1万4千キロくらいです。

 

ここで速く進むと時間が遅れる相対性理論を考えなければなりません。地上に比べこれだけ速い速度で動いているのですから時間の遅れを考慮しなくてはなりません。

ですからGPSの原子時計を秒単位で補正をかけているらしいのです。だから地上との時間差も正確なものになりGPSが正確に機能するわけなんです。

 

これが補正を加えないと日に日に地上との時間差が大きくなり、GPSが示す位置がどんどんずれていく事になります。

 

これが信じがたい相対性理論による時間の遅れを証明するような技術になります。

ちなみにこの相対性理論は特殊相対性理論といって一般相対性理論とわけて考えられています。特殊の方が難しそうですがそうではなく、ある特殊な環境下といった条件が付くわけです。というのも相対性を考える時、本来であれば地球は自転してますしこの地球自体も太陽を公転しています。とまっているように見えて実はそうではないんです。もっと言えば重力も考慮しなければなりません。時間の遅れはこの重力の方が重大だったりするのですがその辺も含めた理論が一般相対性理論になります。興味がある方は勉強してみてください。

 

常識ではなかなか受け入れがたい真実が世の中にはあります。

もう一つ信じがたい真実を証明するような量子論といったものもあります。この量子論から作られたコンピューターを量子コンピューターと言います。これは別ブログで話しているので興味があればご覧ください。

 

コンピューターの可能性！量子コンピューターが実用レベルになったら

 

こういった物理学がゆくゆくは私たちの身近な技術となっていくんですね！

意外と身近な物でも深堀していくととんでもない事が解ったりするものです。そう考えると今は映画の中だけの事でも何れ現実になる事も納得がいきます。

 

結局人間の想像力が技術を育てていくんだなぁと実感します。