特殊相対性理論について述べようと思う。

今回はアインシュタインの特殊相対性理論について、少し勉強したので書こうと思います。まずは、特殊相対性理論について述べる前に、「ガリレオの相対論」について述べていきます。

ガリレオの相対論

ガリレオの相対論は一定速度で運動しているどんな観測者にとっても、物理法則は不変であるというものです。光速に近い宇宙船で振り子の実験をしようとも、学校の理科室でやる振り子の実験をしようとも、その結果は絶対に変わることはない、とガリレオは考えました。どこにいても実験結果は変わらないので、宇宙船内にいる振り子の実験の観測者は自分たち(宇宙船)が今、動いているのか止まっているのか、どれくらいの速度で動いているのか?などを判断することはできませんね。

この「ガリレオの相対論」は電車の中で簡単に、感じることができます。電車の中で目をつぶれば、現実的には揺れがあるので、止まっているか動いているかは判断できてしまいますが、前進しているか後退しているかは、乗客である我々は判断できません。これがガリレオの相対論です。

 

そしてこの「ガリレオの相対論」がのちに、アインシュタインの「特殊相対性理論」の元になる考え方なのです。


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特殊相対性理論

アインシュタインはガリレオの相対論を疑いました。光速においても果たしてそれは成り立つのか?と。和たちが時速100kmで進む車に乗っているとします。反対車線からきた車も100kmでこちらに進んでいる場合、速度の相対性を考慮すれば(自分たちの速度を足して)時速200kmでこちらに向かってくる計算になります。

次に光速で進んでいる宇宙船に置き換えます。宇宙なので、車線はありませんが笑、こちらに光速で向かってくる宇宙船があった場合、車と全く同様に考えれば、自分たちは光速で進んでいるので、光速の2倍の速度で宇宙船が向かってくるように感じるはずです。

しかしアインシュタインは「光速の空間において、ガリレオの相対性は成り立たず、光速を超えることはない」と言いました。どんな観測者から見ても光速は不変であると。この考えをもとに導かれた新たな運動の法則が「特殊相対性理論」というわけです。そしてこの理論により、それまで存在していた、電磁気学と力学の矛盾を解決し、さらに空間、時間、物質の性質に驚くべき新事実をもたらしました。

長さの収縮と時間の遅れ

ならガリレオの相対性が成り立たないのなら、光の速度で進む物体(上の例では宇宙船)には何が起きるのか?それは、周辺の空間が縮まり、時間が引き伸ばされます。空間が縮まることを「長さの収縮」と言います。

例えば、光速で進む宇宙船を外から観測者が見たときは、実際の宇宙船の長さより、短く見えます。そして、時間が引き伸ばされるので、宇宙船が光速で10年間宇宙を旅行し、スタート地点に戻ってきたとしましょう。宇宙船内の人はきっかり10年後にスタート地点に戻ってくることになりましが、スタート地点にいた観測者は時間の引き延ばしの影響を受けるので、10年以上時間が経過したことになります。なので、宇宙船で旅行していた人たちは、スタート地点にいた観測者からすると、自分たちより若くなっていることになります。

宇宙船で旅行した人たちからすれば、「あれ10年のつもりが若干時間進んでるじゃん!」ということになり、要は未来へ行ったことになります。すごく奇妙な話ですが、これらの現象は現実的に起こっている現象であり、実際、亜原始粒子を光速に近づける粒子加速器という装置では日常的に起こっています。



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投稿者:

中村 俊

中村 俊

1993/09/04生まれ。機械系大学院を休学し、ベンチャーでインターンしている最中。直近では、デカルトの「方法序説」に感銘を受けた。 趣味:読書、web開発の勉強、異分野の論文読んだり、記事書いたり。 最終的には経営者か研究者になりたい。

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