27歳のコンパス

27歳という年齢は僕にとって節目のイメージです。今の僕にわかっていることを書こうと思います。そろそろ27歳もおわってしまいそうだけれど(゚∀゚)。

【世界はどうなっているのか】2−3 光の速さで走ったときのほんとうの世界

ニュートンの力学は世界をすべて記述したかにみえた。

しかし、常識はまたも覆されたのだった。

 

天才ときいてアインシュタインを思い浮かべる人は多いだろう。

天才は必然であるというように、アインシュタイン相対性理論を発表しなくても、相対性理論はかならず発見されただろうと言われる。しかしそれは一人の手によってかはわからない。アインシュタインは一人で常識を覆し一人でひとつの壮大な理論体系をつくりあげた。ゆえに天才と呼ぶ人が多い。

 

相対性理論theory of relativity)の「相対」はどういう意味なのか?

ニュートンの書いたプリンキピアという本に、絶対空間と絶対時間というのがでてくる。それら絶対空間と絶対時間が意味するのは、世界は絶対に動かない空間と、絶対に変わらない時間というものを想定することができて、位置と時間を正しく知ることができれば、いつでもどこでも運動をきじゅつするこができるよ!ということ。

勘のいい人ならここでお気づきだろう、相対性理論の相対とは、ニュートンの絶対に対する意味だ。つまり、位置と時間は絶対ではないということ。

ニュートンが唱えた絶対空間と絶対時間という思想は間違っていることが示されたのだ。

 

ニュートン力学にほころびをみつけるように、奇妙な発見があった。光の速度はいつ測っても秒速30万キロメートルで、世界でこれ以上速いものはないようだということ。

 

例えば、ニュートン力学では、宇宙船にブースターをどんどんつなげていけば、足し算するように速度はあがり、理論的には無限の速さの宇宙船をつくるころができる。

 

だから、地球の公転や自転をかんがえると、どんなときも光の速さが変わらないというのは、おかしなはなしなのだ。

 

アインシュタインがすごいのは、当時の常識にとらわれず、確かな現実から理論をつくりあげようとしたこと。

光の速さが一定ならば、それをもとにして時間、長さ、重さを考え直そうじゃないか!と考えたのだ。

 

速度一定にするためには、時間または長さは伸び縮みしなければいけない。光の速さを超えることはできないのならば、ニュートン運動方程式から、質量も変化している可能性がある。

 

アインシュタインはまず、相対的に運動する世界で考えてみた。相対的に運動する世界とは、例えば移動する二人の人間がすれちがったときにお互いがどうみえるかという話。

僕に向かって知人Aが光に近い速さで向かってきたとしよう。すると知人Aは縮んで見え、時計はゆっくりすすんでいるようにみえ、体重は普段よりおもくなっているようにみえる。反対に知人Aからみても僕は同じように縮んで見え、時計はゆっくりすすみ体重は増えてみえる。

このような相対運動する二人が光の速さですれ違ったときにおこる長さ・時間の伸び縮みは、光の速さが一定であると考えたときの簡単な三角関数から導き出される。

光の速度を超えることはできないという前提に立つと、ある宇宙船は、速度が早くなるにつれて、どれだけエネルギーを与えても加速していかない状態になる。ニュートンの第二法則(F=Ma)より、質量が増加していき、加速度が上がらないと考えた。これが、エネルギーが質量に変換されることを表す、有名なEmc2である。

 

これらの結論は、慣性の世界、つまり加速度のない状態で適用される。僕たちの世界はいつも重力という加速度がかかっているので、加速度のない状態=特殊だとして、以上の結論は特殊相対性理論と名付けられた。

特殊相対性理論が示したのは、私達がいつもおなじだと考えていた長さ・時間・質量は、見る立場によって自在に変化するものだということだ。だけど、僕たちの普段生活する世界では、その変化があまりにも小さいため、ほぼ気にする必要はない。

 

アインシュタイン特殊相対性理論の論文を発表したのは26歳の頃。その10年後に、加速度のある世界へと理論を拡張した一般相対性理論が発表される。

 

【参考】

アトム博士の相対性理論

https://www.amazon.co.jp/まんが・アトム博士の相対性理論/dp/488593141X

ファインマン物理学 力学編

https://www.amazon.co.jp/ファインマン物理学%E3%80%881〉力学-ファインマン/dp/4000077112