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相対性理論が全く理解出来ません。頭がこんがらがります。超簡単に教えて下さい。

教えて!goo グレード

A 回答 (7件)

売れっ子アイドルの1週間とニートの1週間では同じ時間のようにみえて全然違うってこった

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正確な説明は数学でしなければなりません。

文章だけでかけばどうしても不正確になります。まあしかし、私が以前、掲示板で回答したこととも重なりますが、一応わかりやすく書いてみます。

特殊相対論の公理は
1.慣性系において物理の法則は同等である
2.真空中における光の速度は一定である
たったこのふたつだけなんです。

慣性系というのは、一定の速度で動いている系のことです。この慣性系の中では物理法則は全く同じ式でかけるというものです。静止している系Aを動いている系Bから観測すれば、むしろBが静止して、Aが動いているように見えます。このそれぞれの系が、全く同等というものです。これが1です。

もうひとつの原則は、光速度は真空中においては一定の速度で進むというものです。(そう観測されるといったほうがわかりやすいかもしれません)、これが2ですね。

なんだい、こんなことは当たり前じゃないかと思われるかもしれません。でも次を考えてみましょう。(光速度を30万km/秒とします)。ロケットが光速度の半分、15万kmで地球に近づいているとします。そのロケットからだされた光が地球に届くとしますね。普通だったらロケットから発射される光の速度は、ロケットの速度+光の速度で45万kmの速度になるはずですよね。

ところがこれは先ほどの2、光速度不変の原理に反します。ではアインシュタインはどうしたか、光速度不変になるように空間と時間の概念を変えてしまうのです。空間と時間は私たちは別々の不変のものと思っていますが、むしろ不変なものは光速度であり、空間と時間は一体となって、光速度が不変になるように変更されるというものなんです。そのため、距離が短くなるとか、時間が遅れるとか、非常識で理解に苦しむことがたくさんでてきます。

詳細については数式できっちり書かなければなりませんし、このような小スペースで書ききることはできません。ですので、ご自身で一度勉強をしてみて下さい。一般の啓蒙書は相対論がもたらす状況を興味本位で書いてあるものが多いですが、きちんと理解しようとすると数式もはいっている本が必要です。数式が入っているといっても、中学生程度の数学の力があれば特殊相対論は理解することができます。

私には「相対性理論の初等講義/東京図書」がおもしろかったです。もっともすでに絶版になっているかもわかりません。一般的な啓蒙書としてはPHP 文庫の「『相対性理論』を楽しむ本」(1999 年 佐藤勝彦 監修)がいいですね。

なお、アインシュタインは特殊相対論ではまだ不十分だと考えました。なぜなら、運動には等速度で動く場合だけではなく加速度運動(広い意味での加速度運動というのは速度が速くなるだけではなく減速するもの、回転するものも含まれます)もあるからです。

考えてみてください。新幹線の中で新幹線が同じ速度で走っている間は、ホームでまっているときと同じ感覚ですが、加速するとき、減速するとき等には、慣性力という力がかかります。また回転運動がある場合は遠心力がかかります。純粋な慣性系というのはきわめて特殊なものです。だからこそ、アインシュタインは、慣性系のみで成立する=特殊な条件でしか成立しない、ということで特殊相対論と名付けたのです。

アインシュタインは、この特殊相対論を更に拡張して、加速度系(非慣性系)にも適用しようというものです。そのための公理として
1.あらゆる非慣性系においても物理法則は同等である(正確には局所慣性系において物理法則は同等である)
2.加速度の及ぼす影響と重力の及ぼす影響は区別できない。(等価原理)
ということを基本として一般相対論を考え出したのです。

もともとは加速度系の物理法則を考えるために、一般相対論を考えたのですが、等価原理により、加速度運動を記述することは、そのまま重力を記述することになります。ですので一般相対論は重力を取り扱う理論といえるのです。

一般相対論は多くの予言をしています。たとえば重力が強い場所では時間の遅れが生じる、重力が強ければ空間が曲がる、水星の近日点移動がニュートン力学よりわずかにずれる等々です。これは、。1916年という今から90年近い前に発表された理論にもかかわらず、現在の高い観測技術でも、確認されています

一般相対論について理解するためには、テンソル、リーマン幾何学等々の大学の数学専攻程度の能力が必要となります。
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光速に近づくと時間や空間などが歪む

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遠くに行くときは時間のゆとりを考慮しましょうという法則です。


特に10光年以上。
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特殊相対論に限る。



実は、宇宙の姿を明らかにするための論文ではない。
マクスウェルの電磁方程式を応援する論文だった。

マクスウェルの電磁方程式から、「光速≒30万キロ」という定数が導かれる。
つまり、静止している観測者からでも秒速1万キロで移動している観測者からでも、同じ光なら「秒速30万キロ」と観測されなければならない。

ところがニュートン力学ではそうはならない。
ニュートン力学では速度は相対速度として求められる。
即ち相手の速度と自分の速度を足し合わせて、観測される速度が決まる。

そのようなニュートン力学だと、静止している観測者から見た場合、ある光の速度はたしかに30万キロである。
ところが秒速1万キロで移動している観測者から見た場合、同じその光の速度は29万キロないし31万キロになってしまう。

「定数」でありどの観測者からも30万キロで見えるはずの光が、上のようになってしまうのである。
それはつまりそのような定数を導き出すマクスウェルの電磁方程式が間違っている、ということになる。
電磁方程式の支持者だったアインシュタインは、これを打開する必要があったのである。

この問題を「光はエーテルという媒体を介して伝わる、だから光を発する物体がどのような運動をしていても放たれる光は必ず秒速30万キロになる」と主張したのがエーテル説である。

ところがエーテル説はマイケルソン―モーリーの実験で否定されてしまった。
残ったのは特殊相対論である。
しかも特殊相対論は、様々な物理現象を高い精度で予言し説明した。
だから現代物理学はこれを定説として扱っている。

なので、特殊相対論では「光速度不変」が絶対になる。
(その不変の値が30万キロであることは、電磁方程式から導かれる)
それを守るためには、長さも時間もつじつまを合わせるために変化させてしまう。
それが特殊相対論の基本姿勢である。

ニュートン力学の場合「絶対時間」「絶対空間」の前提があり、それはつまり
「時間と空間が主役であり速度はその2つから導かれる」
というものだった。
いわば速度は、時間と空間に従う従者的な存在だった。

ところがこの主従の関係が特殊相対論では逆転する。
「光速度不変」が大前提の特殊相対論では
「時間と空間は光速度不変を守るために姿を変える従者的な存在」
となった。

だから、特殊相対論を考える場合はいつも
「光速度不変を守るために」
を頭に置いておかなくてはならない。
それ以外のことは犠牲にしているのだから。


もう一つの柱「相対性原理」については、煩雑になるので省いた。
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相対性理論とは、簡単に言うと、一般相対性理論および特殊相対性理論のこと。

どちらも、ドイツの物理学者アルベルト・アインシュタイン(1879~1955)によって提唱されたものです。多くの場合、「相対性理論」と言うと特殊相対性理論のほうを指します。

特殊相対性理論を構成するのは、光の速さは絶対的だという「光速度不変の原理」や、時間は相対的なものだという主張。時間と空間は独立的なものではなく、相互に関係しているという認識に基づくものです。

相対性理論を簡単に理解するため、まずは概要を把握しておきましょう。相対性理論とは、アインシュタインにより1990年代初頭に発表された理論で、相対論とも呼ばれます。特殊相対性理論と一般相対性理論の総称です。

光の速さへの疑問
その昔、光(電磁波)の研究をしていた人たちは、光の速さを理論的に求めることに成功しました。なんと、1秒間に地球を7週半できるほどの速さだったのです。しかし、「この光の速さとは、何に対する速さなのだろうか?」という疑問が浮上しました。

たとえば、道を走っている【自動車A】の速さを測ろうとします。地面に立っている人が測ってみると、時速50kmでした。しかし、【自動車A】と同じ方向に走る時速20kmの【自動車B】から測ると、【自動車A】の時速は「50km-20km」で30kmとなります。つまり、どこから測るかによって速さが変わるのです。

さて、「光の速さ」とは、どこから測るべきなのでしょう? 科学者たちは、宇宙には「完全に止まっている場所(絶対静止系)」があり、そこから計測すべきではと考えたのです。それなら、つじつまが合いそうですね。

疑問への答え
しかし、20世紀で最も偉大な科学者と呼ばれるアインシュタインの考えは違いました。どこから測っても光の速さは一定だとする「光速度不変の原理」を採用したのです。

絶対静止系に関する実験がうまくいかなかったことを考慮すれば、自然な発想だとも言えるでしょう。しかし、アインシュタインは、絶対静止系の実験とは関係なく、「光速度不変の原理」を構築したのだそうです。アインシュタインの発想が、いかに柔軟で天才的だったか、わかりますね。

相対性理論を簡単に理解するには、「光速度不変の原理」を覚えておいてください。

相対性理論を簡単に言うと

相対性理論における「時間の相対性」
相対性理論を簡単に理解するには、「時間の相対性」という概念も非常に重要です。

タイムトラベルは理論的に可能!
時間は、誰にとっても同じように流れる絶対的なものだと信じられてきました。しかし、「光速度不変の原理」を前提にすると、時間は人によって流れ方が違う、つまり相対的なものだと判明したのです。

具体的には、あなた自身が速く動けば動くほど、周囲に対する時間の流れが遅くなります。そして、あなたの動きが加速し、光の速さにかぎりなく近づくと、あなたはほかの人たちから見てほとんど止まっているのです。

つまり、あなたにとっての1秒は、まわりにとっての1,000年にもなりうるというわけ。こう考えると、理論的には未来へのタイムトラベルすら可能となるのです。

タイムトラベルは現実的に不可能……
しかし、光の速さに近づけるほど膨大なエネルギーは見つかっておらず、また、このタイムトラベルは現在から未来への一方通行なので、タイムトラベルが実現する可能性は低いと言われています。過去へのタイムトラベルを可能とする理論もあるのですが、宇宙のどこかにあるとされる謎の物質や、いまの人類ではどうしようもないほど莫大なエネルギーが必要となるので、まったく現実的ではありません。

物理学者のスティーヴン・ホーキング氏も、「時間順序保護仮説」を提唱して、過去へのタイムトラベルを否定していました。ただ、タイムトラベルが可能になるかどうかは「非常に慎重に扱うべき問題だ」と書き残したこともあり、過去へのタイムトラベルも可能にする理論が生まれないとも限りません。

このように、簡単に言うと、相対性理論はタイムトラベルにも関わるものなのです。

相対性理論を簡単に言うと

相対性理論における時間と質量
相対性理論を簡単に理解するのに大事なのは、時間と質量の関係です。

速いほど重い
時間の相対性は、不思議な現象を生み出します。たとえば、「ローレンツ収縮」という現象があるのですが、これは物体が速く動けば動くほど一定方向に収縮していくというものです。

一方で、物体が速く動けば動くほど、質量は大きくなります。光の速さだととんでもなく重いので、動かすには膨大なエネルギーが必要。これが、光の速さに近づくのに膨大なエネルギーが必要な理由です。

日常レベルでは影響なし
速く動くと、時間が遅れたり縮んだり重くなったり。奇妙に聞こえるかもしれませんが、日常レベルではほとんど影響しないので、ご安心ください。

米国の物理学者ジョゼフ・ハーフェル氏と天文学者リチャード・キーティング氏が1971年に行なった有名な実験では、原子時計を乗せた飛行機で地球を1周し、地上に置いていた時計と比較したところ、約59ナノ秒しか差がなかったそう。1ナノ秒は10億分の1秒です。

つまり、速度によって時間の流れが変わるといっても、ほんのわずか。ロケットで宇宙旅行に行くわけでもなければ、気にする必要はないのです。

相対性理論を簡単にまとめると、以上のようになります。
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この回答へのお礼

いろんな不思議な現象があるんですね。
なんで速く動くと質量が大きくなるんでしょうか?質問を2回繰り返してすみません。

お礼日時:2022/01/13 20:56

みんな相対的。



貴方の時間と
私の時間は
同一ぢゃありません。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます!

お礼日時:2022/01/13 20:53

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