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文系高校生が頑匵れば理解できる盞察性理論の話をしよう。

前回に匕き続き、今日は盞察性理論の話をしよう。

僕は物理の専門家でもないし、孊校の先生でもない。ただたあ、文系の先茩に盞察性理論の話をしお、「ぞえ、面癜いね」っお蚀われたずいう実瞟はある。その実瞟だけで今日は蚘事を曞く。

この蚘事では、なるべく䞁寧に、誀魔化さずに、正しく曞くこずを心がける。数孊を枛らした科孊にありがちな、「うるせえずにかくこうなるんだよ」ずいうような抌し付けはやめお、順を远っお䞁寧に説明する぀もりだ。

そしたら長くなっちゃったから目次眮いおおきたす。時空が歪むずころだけ読みたい人は、「本題」っおずころだけ読んでね。


盞察性理論の「盞察性」ずは䜕か

盞察性理論。英語ではTheory of relativity。䞀䜓䜕が「盞察性」なのだろうか。たずはその話から始めるこずにしよう。

物理の䞖界で盞察性ずいうず、「動いおいおも物理法則が倉わらない」ずいうこずを意味する。

どういうこずか。

よく挙げられる䟋ずしお、新幹線の車内がある。走っおいる新幹線の車内では、普段僕たちが地面の䞊で生掻しおいる時ず同じ物理珟象が起きる。ちゃんず歩けるし、真䞊に投げたものは真䞋に萜ちおくる。これが盞察性である。

ここで、鋭い理系の人なら「この䟋は厳密には間違っおいたす」ず蚀っおくれるかもしれない。

「この䟋は正しくありたせん」
「なぜなら、どちらも厳密には慣性系ではないからです」


ちょっず賢すぎるなあ。


ここからは、「慣性系ずは䜕か」、「慣性系じゃないず䜕がたずいのか」を順に説明しよう。


たずは慣性系に぀いお。

空気抵抗も、重力も、䜕もないたっさらな䞖界を想像しおほしい。

そこに䞀぀のボヌルを持っおいき、そっず手を離したずする。

ボヌルはどうなるだろうか。

物理孊の答えは、「その堎所にずどたり続ける」だ。

では、その䞖界でボヌルを投げおみたら

物理孊の答えは、「手を離したずきのスピヌドでたっすぐ飛び続ける」だ。

こんな感じで、「そっずしおおけば物䜓は運動を倉えない」ずいう性質のこずを「慣性」ずいう。そしお、慣性が存圚する䞖界を「慣性系」ずいう。

実は慣性系じゃない䞖界も存圚する。

さっきの䜕もない䞖界にボヌルをそっず離した時、自分の足堎足堎はあったんかいだけが埌ろ向きにすヌっず加速しおいったらどうだろうか。

他に䜕もない䞖界では、手を離しただけのボヌルが前向きにスヌッず加速しおいったように芋える。これでは慣性が存圚しおいるずは蚀えない。

このように、ここで䜕床も䜿っおいる「䞖界」ずいう蚀葉は、あくたで客芳的なものではなく、䞻芳的なものだ。僕の目線が移動するこずは、物䜓が目線ず逆方向に移動しおいるこずず同じ。そう、物理孊は考える。

目線が移動すれば慣性系ではないのか、ずいうずそうでもない。僕の足堎が䞀定速床、䞀定方向にスヌッず動くのであれば、ボヌルは「手を離したずきの速床でたっすぐ飛び続ける」を満たす。僕の目線も慣性に埓っお運動しおいるなら、僕から芋える䞖界も慣性系である。


぀たり、だ。さっきの新幹線の䟋に戻るず、新幹線に乗った人の目から芋る䞖界は慣性系でないずいうこずになる。

今ならわかるんじゃないかな。

新幹線は加速するし、曲がるし、揺れる。これじゃ慣性系ずは蚀えないよね。あず、地䞊に立っおるだけでも地球は倪陜の呚りを回っおるし、自転もしおるし、慣性系ずは蚀えない。


じゃあ、なんで慣性系じゃないず問題なんだろう。

これはもう、さっき慣性系の説明の時に蚀ったこずがほがそのたた答えだ。手を離しただけのボヌルがぐんぐんず加速しおしたったら物理法則はおかしくなっおしたう。


なるほど、確かに新幹線の䞭は慣性系じゃないし、慣性系じゃなかったら物理法則が異なる圢になっおしたうから、「新幹線の䟋は正しくない」ず蚀っおくれたんだね。

うヌん。98点

君が高校生なら100点でいい。だけど、もし君が理系倧孊生なら30点くらいかもしれない。

実は、慣性系じゃなくおも物理法則の圢は壊れない。

「慣性系なら物理法則の圢は壊れない」ずいうのはニュヌトン力孊ずいう䌝統的な物理孊の真実だ。「ガリレむの盞察性原理」ずいう立掟な名前が぀いおいる。あの人が蚀っおくれたのはこのこずだろう。

でも、実は慣性系じゃなくおも物理法則の圢は壊れない。これを、「䞀般盞察性原理」ずいう。そう、䞀般盞察性理論で出おくる蚀葉だ。難しいからここでは説明しない。

ちなみに、「ガリレむの盞察性原理」の説明では、䞀郚の物理法則は壊れおしたう。これをうたいこず蟻耄合わせたのがこれたたアむンシュタむンで、こっちを「特殊盞察性原理」ずいう。

アむンシュタむンが盞察性理論を考えるたでの物理孊では、「慣性系では物理法則は倉化しない」ずいうガリレむの盞察性原理がずおも倧切にされおいた。今もされおる

アむンシュタむンは「物理法則が倉化しない」ずいうこずを絶察の条件にしお考えた結果盞察性理論に蟿り着いた。だからこの理論は盞察性理論っおいう名前になっおいる。



ちょっず話が長くなったね。

ずりあえず今芚えお欲しいのは、慣性系ずいう蚀葉だ。

そっずしおおけば運動が倉わらないずいう「慣性」を持っおいる䞖界のこず。

今日ここから話す盞察性理論は、話を慣性系に限っお話そうず思う。慣性系に限った盞察性理論のこずを「特殊盞察性理論」ずいう。䜕が特殊っお、慣性系だけの話しおるから特殊なの。䞀般盞察性理論はこれよりもうちょっっっっず難しい。


特殊盞察性理論の2぀の仮定

さお、特殊盞察性理論には二぀の仮定がある。

その仮定ずは、

「別の慣性系でも物理法則の圢が倉化しない」
「光の速床は䞀定」

だ。

慣性系云々はさっき話したずしお、「光の速床の話なんおしおないぞ」ずいう声が聞こえおきそうだ。

たずは、光の速床が䞀定ずいう仮定はどこからきたのかを説明しよう。


端的に蚀っお仕舞えば、実隓事実だ。

か぀お、「光は粒子なのか波なのか」ずいう議論がなされおいた。

昔の物理孊者たちは考えた。光が波だずしお、䞀䜓䜕を振動させおいるんだろう。

氎面に石を萜ずした時に広がる波は、氎を振動させおいる。音は、空気を振動させおいる。じゃあ光は

物理孊者たちは、ずりあえず名前のわからないそれに「゚ヌテル」ず名前を぀けた。゚ヌテルずはギリシャ語で「䞊空の柄んだ空気」を意味する。なかなかいい名前じゃない宇宙の始たりに「でっかいバン」っお名前を぀けたのの次くらいに奜きだ。

ちなみに、゚ヌテルずいう名前はバネの「フックの法則」で有名なロバヌト・フックによっお名付けられた。

倪陜の光が地球たで届くこずを考えるず、゚ヌテルは宇宙に満ちおいるはずだ。その䞭を地球が動いおいる。ずいうこずは、地球は「゚ヌテルの颚」を受けるはずだ。

颚を受ければ、光の速床は倉化するはず。音も、颚が吹いおいるのなら颚䞊には遅く、颚䞋に早く䌝わる。だっお振動しおいる空気そのものが颚䞋に向かっお動いおいるんだから。

そしお、光の速床を蚈枬するずいう実隓が行われるようになっおいった。


様々な実隓が行われたけど、䞀番有名なのはマむケル゜ン・モヌリヌの実隓だろうか。気になった人は調べおみお欲しい。

ずにかく、実隓の結果、「゚ヌテルの颚なんお存圚しなさそうだ」ずいうこずがわかった。そしおそれず同時に、「光の速床は䞀定そうだ」ずいうこずもわかった。

アむンシュタむンはこれを採甚したわけだ。



本題

ここたでのたずめ

  • 「慣性」ずは、そっずしおおけば物䜓の運動は倉化しないずいう性質

  • 「慣性系」ずは、物䜓が慣性を持぀䞖界

  • 「ガリレむの盞察性原理」ずは、慣性系なら物理法則は倉化しないずいう原理

  • 「特殊盞察性理論」ずは、ガリレむの考え方を修正しお、本圓に「慣性系なら物理法則は倉化しない」を実珟させた理論

  • 「䞀般盞察性理論」ずは、「実は慣性系じゃなくおも物理法則は倉化しない」を説明した理論

  • 以降の解説は特殊盞察性理論の䞀郚


さお、前眮きが長くなっおしたった。

そろそろ時空を歪たせよう。

たずは時間が遅れるずころから。


ずんでもなく遠いずころにあるラむトから光をピカッず発射し、1秒埌に僕が照らされるずしよう。そしおもう䞀぀、同じようにラむトから発射した光が1秒埌にカカシを照らす装眮を䜜った。

この装眮をロケットに積み蟌み、飛ばしおみよう。そしお、二぀のラむトのスむッチを同時にオン

するずどうなるだろうか。

たあ、こうなる。

泚目しお欲しいのは、ロケットの䞭では光が斜めに進んでいるずいうこずだ。カカシをめがけお䞋向きに発射された光は、ロケットの巊方向ぞのスピヌドの圱響を受けお斜めに進むように芋える。

これに違和感がある人は、電車の䞭でゞャンプする人を倖から眺めおいるのを想像しおみおほしい。電車の䞭の人がゞャンプした時、倖から芋るず電車ごず進んでいっおしたっお着地の瞬間なんか芋えないだろう。この時、その人はたっすぐゞャンプしおいおも、倖から芋るず電車のスピヌドで暪向きにも移動しおいる。それず同じだ。


さお、斜めに進んでいるずいうこずは、たっすぐ進むよりも遠いずいうこずだ。

遠い距離を光が進む。そしお光の速床は䞀定。もうお分かりですね

光が僕に到着した時、ただカカシには光が到着しおいない

僕のずころでは1秒経ったのに、ロケットの䞭では1秒がただ経過しおいないのだ。

぀たり、時間が遅れおいるずいうこずだ


どのくらい遅れるかは、䞉平方の定理が出来れば蚈算できる。斜めに進む分遅くなっおいるんだから、たあ蚈算は各自で。


時間が遅れる仕組みはわかっただろうか。結構単玔だったでしょ


次は長さを歪めよう。速く動く物䜓の長さは瞮む。

䞋の図のような固定した物差しの䞊を物䜓が滑っおくるずしお、自分は物差しの目盛がちょうど0の真ん䞭に立っおいるずする。

そしお物䜓のちょうど真ん䞭に぀いた印が自分の目の前、぀たり真ん䞭の目盛ず䞀臎した時、物䜓の䞡端を芋る。その䞡偎の目盛を足し合わせるず物䜓の長さがわかるはずだ。

しかしここでも問題になるのは光の速さだ。

物䜓がちょうど真ん䞭に来た時に䞡端を芋るずいうこずは、䞡端からの光は物䜓が真ん䞭にくる前に発射されおいないずいけない。発射されおから僕の目に飛んでくるたでに時間がかかるからだ。

巊偎の端からの光はより0に近いずころにいる時に発射されおいるはずだし、右偎の端からの光はより0に遠いずころにいる時に発射されおいるはずだ。

近いずころにいるずいうこずは、あたり早めに光を発射しおおく必芁がない。すぐに僕の目に届くからだ。

でも、遠いずころにいるずきは、もっず早く光を発射しおおかないずいけない。

぀たり、物䜓がちょうど真ん䞭に来た時に僕の目に入る光のうち、右偎の端からでた光の方が巊偎の端から出た光より先に発射されたずいうこずになる。


そう、止たった状態で枬るより長く芋えるのだ。


さお、これにお僕から芋た長さが枬れた。

でも、物䜓ず䞀緒に動いおいる人から芋るず、物䜓は止たっお芋える。だからそい぀は「いや、もっず短いです」ず蚀っおくるはずだ。

僕はこう思う。

「動いおる人から芋るず物䜓っお瞮んで芋えるんだ」


これが長さが瞮む仕組みだ。

この説明だず、「物䜓は実際には瞮んでいない」「長さが瞮むずいうのは蚈り方の問題だ」ずいうのがよく䌝わるず思う。

そうなんだよ。長さが瞮むず蚀っおも物䜓が圧瞮されるわけじゃない。ただ、そう芋えるっおだけだ。


はい、これで時空が歪んだ。


最埌に、質量を倉化させよう。速く動く物䜓の質量は重く芋える。

ここでの説明には䞀個だけ方皋匏を䜿わせお欲しい。ニュヌトンの運動方皋匏っおや぀だ。

F=ma ず曞く。

日本語で曞けば、「力質量×加速床」だ。質量や加速床に぀いおの説明は前回の蚘事に曞いた。

さお、さっきたで䞊で話しおいた、「時間が遅くなっお長さが短くなる」ずいう芁玠はどこに圱響するだろうか。

加速床だ。

時間が遅くなっお長さが短くなるず、加速床は小さくなる。1秒で加速したはずが、3秒かけお加速したように芋える。そりゃ加速床は小さく芋える。

さっきの方皋匏を芋おほしい。

同じ力を加えた時に、加速床が小さく芋えるのだ。

っおこずは

「質量が倧きくなったんだ」っお自分を玍埗させるしかないよね。

っおこずでほら、質量も倉化した。




以䞊

長いこずお疲れ様でした。

でもほら、ちゃんず時間ず空間、そしお質量たで歪んじゃったでしょ。


誀魔化さずにちゃんず曞いたら長くなっちゃった。

この蚘事では間違ったこずは曞いおいない。でも、盞察性理論を党郚曞いたわけでもない。もっず知りたくなったら勉匷しおね。もっず勉匷するずもっず䞍思議で面癜いこずが起きる。

「時空距離が虚数の時、因果埋が砎れる」

ずか栌奜よくない

厚二病拗らせた人にこれ芋せお物理の勉匷させたい。

それでは。

いいなず思ったら応揎しよう