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相対性理論を世界一わかりやすく!【6つの結論】&【簡単な概要】まとめ

更新日:

 

 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”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。

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今回は『相対性理論の概要編』として、

① 【相対性理論】とは?

② 【特殊相対性理論】まとめ

③ 【一般相対性理論】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るので、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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相対性理論を世界一わかりやすく!|6つの結論&簡単な概要まとめ

 

相対性理論とは?

 

まず、相対性理論は「2種類」あります!

2つの相対性理論

① 【特殊】相対性理論

⇒ 【重力】はいったん無視!(単純&簡単!

② 【一般】相対性理論

⇒ 【重力】も考える(いろいろなことに当てはまる! = 一般的!

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相対性理論でいいたいこと」は次の通り!

【特殊】相対性理論をわかりやすく!

スピードが速く】なると…

① 【時間】がゆっくり流れる!

② 【空間】が縮む!

③ 【質量(=エネルギー)】が増える!

④ 【質量】と【エネルギー】は同じもの!

 ただし【重力】だけじゃなく【加速・減速】する対象にも当てはまらない…!

【一般】相対性理論をわかりやすく!

重力が大きく】なると…

1、【空間(光)】が曲がる!

2、【時間】が遅くれる!

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相対性理論」は

アルバート・アインシュタイン(1879~1955)

が提唱した

】&【重力】の考え方

です。

 

学校の授業で

について習ったと思いますが(万有引力って? → 物はお互いに引っ張り合っているよ!っていう法則。重い物体ほど引っ張る力が強くて、距離が遠いほど力が弱くなる)、「相対性理論」はざっくりいえば

【万有引力】のダメなところを【改良】した理論

になります。

 

ただ

【万有引力】が間違っているというわけではない(重力が小さければ万有引力で十分)

ので、流れとして

ステップ① → 簡単に【相対性理論】を理解!

ステップ② → 【相対性理論】と【万有引力】の違いを整理

という順番で勉強していきましょう!

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特殊相対性理論|4つの結論&前提条件

 

「特殊相対性理論」の結論(概要)は以下の通り!

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

 

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い!

理論で、2つの前提条件

① 相対性原理

② 光速度不変の原理

が必要です。

 

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、

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る

と一般的にいえます。

 

では

 走ったら体重は増えるの?

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

相対性理論11

 

もう一個、

 スカイツリーにのぼったら時間が速まるの?

と問われれば、

こちらも "YES"

です!

こっちは「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理由

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(わかりやすい概要)」です。

続いて「一般相対性理論の結論(わかりやすい概要)」にいってみよう!

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一般相対性理論|2つの結論(概要)&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】や【加速・減速】の影響を加味した【理論】

で、結論(概要まとめ)は以下の通り!

一般相対性理論|2つの結論(わかりやすい概要)

1、重力は空間(光)を曲げる

2、重力は時間を遅らせる

 

2、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。

 

1、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【光の曲がり具合】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、皆さんご存じの

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(はくちょう座X-1など;詳しくは『ブラックホールとは?』で)。

 

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か。

 

繰り返しになりますが、

【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。

 

ただし実際には、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?

 空間が曲がるってなんだ?

など気になる方はあとで参照してください。

 

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、

 【相対性理論】と【万有引力】って何が違うの?

という疑問に簡単に答えておきます。

 

【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、名前の通り

「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

ということになります。

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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。

 

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、

地球が地面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」を利用した方が導きやすい事象がありますし、そもそも「一般相対性理論」は万有引力の改良版で重力の影響が大きい場合にとくに有効な理論です。

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わけですね。

※ 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。

 

さて、簡単なまとめにするつもりのはずがかなり長くなってきたので、このくらいで ”簡単でわかりやすい(ように頑張って書いた)概要編” は終わりにします。

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。

 

お読みいただき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。。。)

 

【まとめ】相対性理論を世界一わかりやすく!

・ 相対性理論とは?

⇒ アインシュタインが考えた【光】や【重力】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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