『光速に近づくと、時間の流れが遅くなる』-世界一わかりやすい特殊相対性理論Part1

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『世界一わかりやすい相対性理論』シリーズの詳細版です。

 

今回は「特殊相対性理論」の1つである、

「光速に近づくと、時間の流れが遅くなる」

原理についてわかりやすく解説します。

 

相対性理論と聞くと「時間が変化する」というイメージをお持ちの方も多いと思いますが、

なぜ時間が遅れるのか、時間の遅れとはどういうことなのかを詳しく、わかりやすく説明していきます

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『光速に近づくと、時間の流れが遅くなる』-世界一わかりやすい特殊相対性理論Part1

『光速に近づくと、時間の流れが遅くなる』-世界一わかりやすい特殊相対性理論Part1

 

具体的な実験例を取り上げながら、できるだけわかりやすく説明していきたいと思います。

 

すごい速度で移動する宇宙船で実験してみましょう

 

宇宙船のなかには、ちょうど1秒で光が通過する「筒」を用意します。

相対性理論1

 

宇宙船の中の人からみれば当然、光が筒を通過するのに1秒かかりますよね

 

では、地球から宇宙船をみるとどうでしょうか?

 

宇宙船自体が移動しているので、宇宙船の中の光も移動しているように見えます

相対性理論2

 

つまり、「宇宙線に乗っている人」よりも光が長く感じられるはずです。

わかりづらい方は、光が通った距離を考えてみてください

 

光が筒を通過するまでの間に、

宇宙船の中の人 ⇒ 光は、筒と同じ長さを通った

地球にいる人  ⇒ 光は、筒の長さだけでなく、宇宙線の移動距離の分も通った ⇒ 筒の長さ < 光の移動距離 (< 筒の長さ+移動距離)

 

これでおわかりでしょうか?

同じ筒の中を移動した光でも、「宇宙船の中の人」が見た光よりも「地球にいる人」がみた光の方が長いのです。

 

 

ここで、【概要編】の記事で取り上げた「相対性理論の前提条件」を思い出してみてください。

 

②光速度不変の原理」がありましたね。

光の速さは誰から見ても変わらない、つまり光が30万km移動したときに必ず1秒経っているということです

 

宇宙船に乗っている人からすれば、光が筒を通過するのに確かに1秒かかっていました

しかし、”地球” から見ると、光が筒を通過するまでに、光は筒以上の距離を移動している、つまり1秒以上経過しているのです。

 

したがって、”宇宙船の中” と ”地球” では時間の感じ方(速さ)が違うということになります

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特殊相対性理論では、どっちの方が時間の流れが速い?

 

ここで、”宇宙船の中” と ”地球”ではどちらの方が時間の流れが速いか整理しておきましょう

※ 「時間の速さが違う」ことは今回の実験さえ思い出せば理解できるのですが、「どっちが速いか」については本当によく間違われます

 

光の実験で説明したように、宇宙船で1秒経ったとき、地球では1秒以上たっていました。

では極端に、宇宙船で1秒経ったとき、地球で5秒経っていたとしましょう

 

1秒間で1回手をたたくとします。

 

宇宙船では1回しかたたけませんが、地球では5回たたけます

つまり、地球の人からみると、宇宙船の中の人はゆっくり手をたたいているようにみえます

 

これでおわかりですね?

 

宇宙船の方が時間がゆっくり流れているのです

 

すなわち、すごい速さで動いている方が「時間の流れが遅い」ということになります

 

「1秒で済んだ」と「1秒以上かかった」という覚え方をしてしまうと、

”1秒で済んだ” 方が時間の流れが速いように勘違いしがちですが、

迷ったときは今回のような極端な例を出して実験してみてください。

 

 

ここまでをわかりやすくまとめておきます。

・ 地球から見た方が光の移動距離が長い

⇒ 光の速度は一定なので、光の移動距離が長い=より時間がかかっている

⇒ 「光が筒を通る」という実験は同じなので、宇宙船の時間よりも地球の時間の方が長い

⇒ 宇宙船の中の方が時間の流れが遅くなる

 

このとき、宇宙船の速度が速いほど、地球から見る光の移動距離は長くなるので、

光速に近づくと、時間の流れが遅くなる」と言えますよね。

 

これが「時間が一定ではない」理由であり、

時間が「相対性(立場によって感じ方が違う)」をもっている根拠なのです。

 

 

以上の説明で理解していただけたでしょうか?

 

いろいろと具体例を考えてみたのですが、宇宙船が誤解を招きにくい最低ラインだと考えて取り上げました。

あまり身近な具体例ではありませんが、実験とその結果自体は難しくなかったと思います。

 

「相対性理論なんて難しそう」というイメージばかりが先行していますが、実際には大して難しいことはいっていません

 

これで「光速に近づくと、時間の流れが遅くなる」という原理はある程度理解していただいたとして、

次回は「2、光速に近づくと、空間が縮む」原理について説明します。

多くの方がここで挫折してしまうのですが、今回の実験を理解していただけた方なら心配はいりません。

 

その次が「3、光速に近づくと、質量(=エネルギー)が増える」、最後に「一般相対性理論」の予定です。

次回もわかりやすさを第一に書いていきますので、ぜひご一読ください<(_ _)>

 

以上、『光速に近づくと、時間の流れが遅くなる/世界一わかりやすい特殊相対性理論Part1』でした!

ご朗読ありがとうございました<(_ _)>

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「光速に近づくと、時間の流れが遅くなる/世界一わかりやすい特殊相対性理論Part1」まとめ

光速に近づくと、時間の流れが遅くなる

・ みる人の立場によって光の見え方は異なる

・ 移動している宇宙船内で光を照射した場合には、同じ光でも、地球から見ると宇宙船が移動している分だけ光が長く見える

・ 光の速さは一定なので、光の移動距離が長い=より時間がかかっている

・ つまり、宇宙船の中の人が1秒だと感じている時間が、地球ではもっと長く感じる

・ 宇宙船の方が "相対的に" 時間の流れが遅い

・ 速く移動するほど時間の流れは遅くなる

 

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