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『相対性理論を世界一わかりやすく!』- ”6つの結論”と”簡単な概要まとめ”

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 結論だけ知りたい方は、最後の「まとめ」だけお読みください<(_ _)>

 

「世界一わかりやすい」と銘打った以上、とにかく ”わかりやすく” 相対性理論を説明していきます

 

一度理解してしまえば言っていること自体は難しくないので、ちょっとした話のタネにもなると思います。

 

今回は『相対性理論の概要編』として、

① 相対性理論とは何か?

② 特殊相対性理論の概要まとめ

③ 一般相対性理論の概要まとめ

の3章立てで、大まかな中身のみを説明していきます。

 

「どうしてそうなるの?」という疑問に関しては、別の記事で詳しく解説していくので、

今回の記事は「簡単に内容だけ知りたい」という方向けです。

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これを機に私のブログの読者になってくださる方がいると大変うれしいのですが…。

では、余談は抜きにしてさっそく解説していきましょう。

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『相対性理論を世界一わかりやすく!』ー ”6つの結論” と ”簡単な概要まとめ”

相対性理論とは?

 

相対性理論とは、アルバート・アインシュタイン(1879~1955)が提唱した新たな光・重力理論です。

アインスタイニウム

 

学校の授業では、「万有引力の法則」が重力のすべてのように書かれていることが多々ありますが、

実際には万有引力の法則には多くの欠陥があります

 

その点を一部改良したものが「相対性理論」であり、現在までのところ最も重力理論を説明していますが、

それでも十分なわけではありません。

 

 

相対性理論には「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」の2つがありますが、

「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」の大きな違いは ”重力の影響を考慮するかしないか” です。

 

 「特殊相対性理論」は、重力の影響を無視して考えるより単純な理論

 「一般相対性理論」は、重力も加味したより一般的な理論

 

より厳密にいえば、「特殊相対性理論」は加速したり減速したりする対象にも適用できません。

 

 

ともかく、まずは「万有引力の法則のほころびと相対性理論との違い」についてわかりやすく説明した後、

より簡単な「特殊相対性理論」から説明していきましょう。

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”相対性理論” と ”万有引力の法則” の違い

 

アイザック・ニュートン(1642~1727)の「万有引力の法則」によって、重力の多くは解明できました

万有引力とは、字のごとく「万物(あらゆる物体)が有する互いに引き合う力」のことです。

 

ニュートンの万有引力の考えに基づけば、ボールが地面に落下するのは地球の質量が非常に大きいからいうことになります。

 

しかし、万有引力が当てはまらない例が多数発見され、万有引力だけでは説明のつかない現象があることが明らかになってきました。

 

 

そんなとき考え出されたのが、アインシュタインの「相対性理論」です。

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これまで ”重力” は、万有引力による「2つの物体が引き合う力」によって生じていると考えられてきましたが、

アインシュタインは「質量により空間は曲がり、凹凸のある空間が重力として認知される」と考えました

 

つまり極端に言えば、ボールが地面に落ちるのは、地球が万有引力で引っ張っているわけではなく、

地球が自分に向かって下り坂を作っているためだと考えたのです。

 

 

現在では「重力が空間を曲げている」という考えは広く支持されていますが、

万有引力の法則が誤っているということでは決してありません。

 

 「万有引力の法則」でしか導けない事象もありますし、そもそも「一般相対性理論」では万有引力の法則を取り込んでいます

 

 

結局のところ、相互に補い合うことで ”ある程度” 不思議な物理現象について説明がつくようになってきたという状況です。

前置きはこの辺にして、具体的に相対性理論の中身をわかりやすく見ていきましょう

 

※ この章の詳細を知りたい場合は『世界一わかりやすい相対性理論』 ~【万有引力のほころび】~ をお読みください。

 

 

特殊相対性理論 4つの結論(概要まとめ)と前提条件

 

「特殊相対性理論」の結論(概要まとめ)は以下の通りです。

 

特殊相対性理論 4つの結論(概要まとめ)

1、光速に近づくと、時間の流れが遅くなる

2、光速に近づくと、空間が縮む

3-1、光速に近づくと、質量(=エネルギー)が増える

3-2、質量とエネルギーは同じもの

 

以上の3つ(+1)が、「特殊」相対性理論から言える結論です。

相対性理論はどんな場合でも成り立つというわけではなく、2つの前提条件が必要です。

 

① 相対性原理

② 光速度不変の原理

 

 

 「① 相対性原理」というのは、「同じ速さで動いているならば、止まっているときと同じ物理現象が起こる」ということです。

例えば、時速60km/hで動いている電車の中でリンゴを落としても、

電車に乗っている人から見れば、リンゴは止まっているときと同じように真下に落下するということです。

 

 

 2つ目の「② 光速度不変の原理」は、「光の速度は常に一定」だということです。

電車に乗っていようと、地面に座っていようと、誰から見ても光は30万km/sで移動するということです。

 

以上の2つの前提が成り立つと仮定すれば、速ければ速いほど、時間は遅れ、空間は曲がり、質量とエネルギーが増えます

 

 

 では「走ったら体重は増えるのか」と問われれば、答えは "YES" です。

体重計で計測できるようなレベルではありませんが確かに増えています(質量が増大するだけで、太るわけではありません)。

 

相対性理論に基づけば、体重は「物の重さ」とは考えていません

体のすごくすごく小さい部品(クォークという素粒子)などがたくさん動いた結果が、質量(体重)なのです。

※ 実際にどのくらい変化するのか調べる方法(ガンマ係数)に興味のある方はこちらの記事を参照してください

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 続いて「スカイツリーにのぼったら時間が速まるのか」と問われれば、こちらも "YES"

こちらは一般相対性理論の話になりますが、地上から離れるほど地球の重力は弱まるので、時間の流れが速くなります。

 

 スカイツリーのてっぺんであれば、45万年で1秒ほど時間が速くなります(634mで計算)

少し規模が小さすぎましたが、重力の差が大きければ大きいほど「時間の誤差」は大きくなります。

 

例えば、地球と太陽で時間を比べれば、6日で1秒ほどの誤差が生じます

そして、身近な例でも時間の誤差が無視できないケースがあります

 

 

それは宇宙空間に打ち上げられている衛星で、

重力が小さいことに加えて高速で移動しているので「時間の誤差」はより大きくなります

 

 私たちがカーナビでタイムラグを感じないのは、GPS衛星がきちんと相対性理論に基づいて時間を補正してくれているからです。

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以上が「特殊相対性理論の結論(概要まとめ)」です。

 

一般相対性理論の話も出たので、今度は「一般相対性理論の結論(概要まとめ)」に進みましょう。

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一般相対性理論 2つの結論(概要まとめ)とブラックホール

 

「一般相対性理論」は、特殊相対性理論に重力の影響や加速・減速を加味した重力理論で、

結論(概要まとめ)は以下の通りです。

 

一般相対性理論 2つの結論(概要まとめ)

1、重力は空間(光)を曲げる

2、重力は時間を遅らせる

 

「重力は時間を遅らせる」については、先程GPSがきちんと補正していると述べましたね。

 

 

「重力が空間(光)を曲げる」に関しては、実際に太陽の周囲で光が曲がる現象が観測されています

 

そして、重力が大きければ大きいほど、曲がり具合も大きくなり、

一定以上重力が大きくなると光さえも吸い込まれる空間の歪みが生じます

 

 これこそが皆さんもご存じの『ブラックホール』ですね。

 

ブラックホールは重力が極端に大きいために光さえ脱出できなくなった天体(境界面;空間;特異点)なのです。

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「重力は空間(光)を曲げる」という一般相対性理論の考えに基づいて、ブラックホールの存在が考えられるようになり、

現在ではブラックホールの候補となる天体が多数発見されています

 

このブラックホールに対して、「重力は時間を遅らせる」という方の一般相対性理論も考えてみましょう。

 

重力が大きいほど時間は遅れるのです。

そう、ブラックホールでは時間が大幅に遅れ、表面では時間が完全に止まっているようにみえます

 

 

もし宇宙船がブラックホールに吸い込まれてしまっても、” 地球にいる” 私たちからみると、

宇宙船はブラックホールの前でずっと静止しているように映ります。

 

ただし、少し専門的になりますが、ブラックホールに近づくにつれて光の波長が長くなるので視認はできなくなります。

 

 

では、宇宙船に乗っている人はどうしているのかといえば、通常通りの時間が流れているだけです

つまり、一瞬でブラックホールに吸い込まれてしまうのですね。

 

不思議に感じるかもしれませんが、

「相対性理論」では時間は「絶対性」のある存在ではなく「相対性」のある存在なのです

 

一般相対性理論の詳細は別記事で書いているので、

「どうして時間が遅れるのか」「空間が曲がるってなんだ」など気になる方はご参照ください。

 

 

今回は【概要編】なので、あまり深入りはせずにこの辺で終わりにしましょう。

最後に、項目ごとに分けて詳しく解説しているので、それらの記事のリンクを一覧にしておきますね。

 

 

 

以上、『世界一わかりやすい相対性理論ー ”6つの結論” と ”簡単な概要まとめ”』でした!

ご朗読ありがとうございました<(_ _)>

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(最近、読者の方のアップを狙っているのです。。。)

 

「相対性理論を世界一わかりやすく!/ ”6つの結論” と ”簡単な概要まとめ”」まとめ

・ 相対性理論とは?

⇒ アインシュタインが考えた「光」や「重力」などに関する法則のこと。

特殊相対性理論と一般相対性理論の2つがある。

・ 特殊相対性理論と一般相対性理論の違い

⇒ 重力、加速・減速などの影響を考慮しているかいないか。

一般相対性理論では考慮していて、より現実的な物理現象を説明できる。

・ 特殊相対性理論

1、光速に近づくと、時間の流れが遅くなる

2、光速に近づくと、空間が縮む

3-1、光速に近づくと、質量(=エネルギー)が増える

3-2、質量とエネルギーは同じもの

・ 一般相対性理論

1、重力は空間(光)を曲げる

2、重力は時間を遅らせる

 

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