20世紀最高の物理学者といえば、100人中99人が「アインシュタイン」と答えると思います。
そんなアインシュタインの提唱した理論の中で、最も有名なものが相対性理論です。
アインシュタインはノーベル賞をとった物理学者なので、この相対性理論はもちろん難しいのですが、この記事ではそんな理論を
- 10歳の子どもにも分かるように
- なるべく物理や数学などの知識などを使わずに
説明していきたいと思います。
相対性理論を少しでも理解したいという人は、ぜひじっくりと読んでみてください！
割とガバガバ理論なので、詳しく知りたいという人はブルーバックスの「「超」入門 相対性理論 アインシュタインは何を考えたのか (ブルーバックス)」をおすすめしています。
目次 (クリックでジャンプ)
相対性理論を一言で言うと時間と重さについての関係を述べた理論
まず最初に本当に一言で、ざっくりと相対性理論をまとめると、次のような理論になります。
相対性理論とは、空間と時間 (と重さ) というものは “絶対的” な値があるのではなく、観測者から見ていろんな値をとる、という理論のことです。
ちょっとわかりにくいかもしれませんね。例をあげて説明したいと思います。
このブログを書いている僕の1秒も、ブログを読んでくれているあなたの1秒も、日本の裏側のブラジルにいるボブの1秒も同じ「1秒」のはずです。
でも、相対性理論においては、この1秒というのが変化します。具体的には、ロケットに乗って遠ざかっていく人の1秒は、こちらから見て “ちょっと長く” なっています。
このように、時間というのは ”誰にとっても同じ1秒”というものではなく、”私にとっての1秒” や “あなたにとっての1秒” という相対的な値になります。
このことから、”相対性” 理論と呼ばれています。
ちなみに、我らがアルバート=アインシュタイン先生は、もっとわかりやすい例を使ってこのことを示してくれています。
熱いストーブの上に１分間手を当ててみて下さい、
まるで1時間位に感じられる
では可愛い女の子と一緒に１時間座っているとどうだろう、
まるで1分間ぐらいにしか感じられない。
それが相対性です
アルバート=アインシュタイン
以上が一番「ざっくり」とした説明です。これから、もう少し詳しい内容を紹介していきたいと思います！
特殊相対性理論の方が簡単に理解できる
多くの人が勘違いをしていることですが、特殊相対性理論の方が比較的簡単に理解をすることができるようになっています。
これは、なぜかと言うと「特殊」と言うのは「適用できる範囲が限られた、特殊な条件下での法則」だからです。
- 特殊相対性理論 … 重力の影響を考えない場合の理論
- 一般相対性理論 … 重力を含め、一般的に当てはまる理論で、特殊相対性理論をパワーアップした理論
つまり、ある特定の条件ならこれが使えるよ、ってことだね。
物理では、制約が多い方が簡単なモデルになることが多かったり、結論がわかりやすかったりするものなのです。
そのため、アインシュタインは1905年に特殊相対性理論を、その10年後の1915年に一般相対性理論を完成させたとされています。
相対性理論とは何か？を解説します
相対性理論において、代表的に知られている特徴を幾つか抜き出してみました。僕の理解が進んだら、もう少し追記していくかもしれません。
- この世で最も速いものは光である
- 光の速度に近い速さで進むものは縮む
- 光の速度に近い速さで動くと時間が伸びる
- 重さとエネルギーは同じものである
1. この世で最も速いものは光である
まず知っておいて欲しいこと、それは「光速は一定であり、この世で最も速いものである」ということです。
実はこの「光の速さ」というのはかなり昔から研究されてきたのですが、どうも「光速が一定である」ということが観測結果からわかっていたのです。
ただ、この世はほとんどのものが「速度が変化する」のは当たり前のことだったので、どうにかして光の速さが速くなったり遅くなったりしているところを観測できないかという研究が行われていました。(ちなみに、その過程でエーテルなる物質が考案されました)
でも、結局10年、20年しても光速が変化する様子は確認できませんでした。
そんな時、登場したのが “アインシュタイン” です。彼は、発想を転換させて、こう考えてみることにしました。
これを仮定して、いろんな理論を積み上げていきました。それこそが、今の相対性理論なのです。
光速がこの世の中で最も速いということは、ロケットがどれほど加速をおこなっても、光の速さまでは加速できないということになります。
ちなみに、光の速度の近くではどのようなことが起きているかというと、物質がどんどん重くなっていることが知られています。
物は、速く動くと重さが増えるのです。
重い物質というのは、速度が出しづらいのは分かると思います。例えば、野球ボールを加速するのはそこそこ簡単ですが、重い岩を時速100km とかで動かすのはめちゃめちゃ苦労しますよね。
つまり、あるモノの速度をあげると、だんだんとそのモノの重さが重くなっていき、加速しにくくなるのです。
加速して、重くなって、最終的にどうなるかというと、光速に限りなく近い速度になるところで重さは無限大になり、これ以上加速できないという状態になるわけです。
これが、モノが光速を超えられない理由です。
2. 光の速度に近い速さで進むものは縮む
光の速さに近い速度で飛んでいる物質は、周りからみて「縮んで」見えます。
この原理を詳しく知るには数式をいろいろいじってみないとわからないのですが、ここでは割愛します。
実際、私たちの日常生活でもこの「空間の伸縮」は起こっているのですが、変化が微妙すぎて目に見えないだけなのです。
なんで縮んでいるかというのは、簡単に説明すると、「光速が一定」だからです。
光の速さで動く電車の中で、進んでいる方向に野球ボールを投げたら、光の速度以上になりそうな気がしますよね？
それが光の速度以上にならないのは、実はこの「空間が縮んでいる」おかげなのです。
3. 光の速度に近い速さで動くと時間が伸びる
これも相対性理論の中で中心的な部分を占める重要な概念です。
よく、「光の速さで動くロケットに乗った人は、ぜんぜん歳を取らない」みたいな話がありますよね。
どうして時間が伸びるのかというと、これも「光速が一定」を仮定しているから。光速よりも速いモノというのはないため、止まっている人からロケットを見た時、それが非常にゆっくりとした時間に見えるのです。
ちなみに、地球からロケットを見た時、ロケットの時間はゆっくりと進んでいるように見えます。では、ロケットから地球を見た時にはどう見えるでしょうか？
これ、実は、”ゆっくりと進んで見える”が正解です。
新幹線に乗っている時、駅から見れば新幹線が動いて見えますが、新幹線に乗っている人から見れば、駅が遠ざかって見えますよね。
これと一緒で、ロケットに乗っている人からも地球は “(ロケットが進む速さで) 遠ざかって” 見えるのです。
このため、実はロケットから見ても地球の時間はゆっくりと流れて見えるのです。
このように、”どこの誰からみると、時間がゆっくりと流れたり、空間が縮んで見えたり” する、というのが相対性理論の一番の特徴です。
最初にも少し書きましたが、それまでの物理学は、時間(1秒) とか空間(1メートル) とかいう単位が絶対的なモノだとして話が進んでいました。
これは、僕たちの日常生活ではおおよそ正しいです。(だって、日常生活で光速に近い速さになることはないですからね)
でも、光速が一定だとすると、時間や空間というのはどうしても「相対的な」ものとして仮定しないといけません。
これを思いつき、さらに物理系として完成させてしまったことが、アインシュタインのすごさなのです。
4. 重さとエネルギーは同じものである
先ほど、「光の速さに近いモノは重くなる」という話をしました。
主に一般相対性理論(難しい方です)では、この “重力” という力が非常にいろいろな面白い見方で解説されています。
アインシュタインが発見した有名な法則に、次のような数式で表されるエネルギーの式があります。
左側のEはエネルギーで、mは質量、cは光速です。この式の見方は、「エネルギーというのは、質量と光速の二乗の積になっている」というもの。
しかも先ほど、「光速は一定」という話をしたので、このcというのは定数です。
つまり、これは「重さとエネルギーは同じものである」ということを示しています。
わかりやすい例が、核エネルギーです。核エネルギーは簡単に言ってしまえば「原子の重さを減らして、その時に出る余計な重さから取り出されるエネルギー」です。
つまり、簡単にいうと重いモノは、エネルギーを持っていることがわかります。
このモノが、自身のエネルギーによって周りの空間を歪ませることで、重力が発生している、というのが特殊相対性理論の内容の一部です。
この重力(というかモノが持つ質量) によって時間がゆっくり進んだり、空間が歪んだり、光の進路が曲がったりします。
ちょっと前に話題になった重力波もこのあたりの話が分かると、もう少し詳しく理解できて面白いですよ！
相対性理論を知るためのおすすめ参考書
以上、僕が知っているところの「相対性理論」をざっくりと説明してきました。
ただ、僕も専門家ではないし、今回は数式を全然使ってこなかったので、もっとよく知りたい人はいろんな本を読んでみることをおすすめします。
ただ、「どんな本を読んだらいいかわからない！」という人も多いと思うので、今回は僕が手にとってきた本を紹介したいと思います！
「超」入門 相対性理論 アインシュタインは何を考えたのか
ちょっと前にも「相対性理論を1から理解する」という良い本があったのですが、ちょうど今年にこの本が出版されたので、こちらをおすすめしておきます。
ブルーバックスの良いところは、読者が「物理学を知っている」という人に限定されていないところ。そのため、かなり基礎的な物理の話でもわかりやすく解説してくれます。
しかも、それでいて結構突っ込んだところまで説明を加えてくれているので、京大の物理系にいる僕でも「へぇー」となる内容が多いです。
ターゲットとしては、高校生〜大人くらいの人ですかね。
「相対性理論」を楽しむ本
こちらの本は、中学生〜大人まで楽しめる本です。
ブルーバックスよりも相対性理論の「原理」ではなく、「相対性理論によってどんなことが可能になるのか」に重点を当てている気がします。
例えば、ロケットが光速で移動すると時間がゆっくりと進みますが、それによる「ウラシマ効果」だったりだとか、その辺りの解説を交えて相対性理論を「楽しむ」ことができるような内容になっています。
Amazon のレビューもかなり好意的な内容が多いので、気になる人はぜひ読んでみてください！
一般相対性理論を一歩一歩数式で理解する
さて、この本は、京都大学の図書館にあってたまたま見つけた本です。
え、良き。相対性理論がわかるようになるぞう💪
— いぶき@京大生ブロガー(アイコン変わりました) (@ibuki_blogger) February 27, 2019
先ほどまでの2冊とは打って変わって、この本はゴリゴリの数式で様々な理論を計算していきます。
とはいうものの、レベル的には理系の大学2年生以上なら読めるようなものになっている… ハズです。(テンソルや経路積分、ベクトル積の話がわかれば読めます)
数学の復習にもちょうど良いですし、数式がわかればミンコフスキー空間やローレンンツ変換など数学的な側面からきちんと理論を理解できると思います。
少々時間はかかると思いますが、ぜひ手を動かしてみてください！
相対性理論は一生のうちに理解してみたいよね！
以上、相対性理論について僕が知りうるところをまとめてみました。
かなり平易な表現になるように書いてきましたが、ここまでちゃんと伝わったでしょうか？
まぁ、難しい理論なので僕も全体の3% くらいしか理解していないと思っています。なんでも、世界に相対性理論を理解した人って10人いるかいないか、と言われているらしいです。
でも、僕も物理系の人間の端くれとして、生きている間になんとかして少しでも理解を深められたらと思っています。
また何か新しいことがわかったらこの記事に追記していこうと思うので、皆さんもちょくちょく覗きにきてください！
