宇宙空間にずっといると老いのスピードが遅いという話

Question

昔授業で習った英語の長文で
「宇宙空間では時のスピードがゆっくりになる。
従ってもし宇宙飛行士が長期間宇宙で暮らした後地球に帰って来たら、同世代の人間より若いはずである」
というようなものがありました。
長文でしたので前後に”時間とは””空間とは”という文章がありましたが、
英語である前に、日本語としても概念が掴めず「？？」でした。

物理は苦手、完全な文系頭なのですが
どなたかわかりやすく説明していただきたいです。

jbg · Accepted Answer

＃１さん、＃２さん、＃３さん、＃４さん、＃５さん、＃７さんの説明は、双子のＡさんとＢさんの運動が対称であれば、おそらく全く正解です。
対称であれば、特殊相対論で説明できますね。
どんなに相対速度が速くても、双子が再会したときの年齢は、ピタリと一致します。
だから、ぶっちゃけ相対論など必要なく、「対称性」だけで思考実験すれば、説明できますが。
（もうひと方のは、・・・・・んー）


しかし！

注意しなくてはいけないのは、
この問題では、宇宙旅行をしてきたＡさんの運動と、地上で待っていたＢさんの運動とは、対称ではないということです。


Ａさんは、加速度を受けて地球を飛び立ちます。
Ａさんの乗る宇宙船の発射のとき、Ｂさんも地球も、ほとんど加速度を受けず、微動だにしません。
（地球が超ぉー軽ければ、別ですが）

そして、Ａさんが帰ってくるには、逆の加速度が必要です。
逆の加速度の手段は、逆噴射でも良いですし、どこかの天体の引力を利用して天体の周りをくるりと回ってきても、どっちでも良いです。

そして、宇宙旅行から帰ってきた、Ａさんが乗る宇宙船が地球に着地するときも、Ｂさんと地球は、ほぼ微動だにしません。



さて、

加速度や重力場（時空のゆがみ）の影響を考慮するには、一般相対性理論が必要です。


私も一般相対論に詳しいとか、式を知ってるとかではないですが、定性的な理解は、こうです。

「双子の一人のＡさんが加速度を伴う宇宙旅行をして帰ってきたら、地球上で待っていたＢさんのほうが余計に年をとっていた」


http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%8C%E5%AD%90%E3%81%AE%E3%83%91%E3%83%A9%E3%83%89%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9

http://homepage3.nifty.com/iromono/PhysTips/massugutwin.html

このほかにも、ネットを「双子のパラドックス」で検索すると引っかかるのがありますが、考え方を間違えて書いてるのもありますね。
比較的有名な話なのに、結構、誤解されてる方々が多いようです。

ちなみに、
上述した、私の定性的理解は、だいぶ前にＮＨＫのテレビで放送していた解説の受け売りです。
少なくとも、川口浩とか矢追純一とかの系統ではないです。

jbg · Answer

＃８の者です。
ごめんなさい。（特に＃６さん、ごめんなさい）


１行目を下記のように訂正します。

【間違い】
＃１さん、＃２さん、＃３さん、＃４さん、＃５さん、＃７さんの説明

【訂正後】
＃１さん、＃２さん、＃３さん、＃４さん、＃６さん、＃７さんの説明

moby_dick · Answer

＞宇宙空間にずっといると老いのスピードが遅い

全くそういうことはなく、全く真実ではありません。

このことについて広く誤解されています。
その誤解は、実はアインシュタインの（特殊）相対性理論が間違っている為に起きたことです。

少し説明しますが、人で考えるより、明確ですから時計で考えます。
時計が宇宙旅行して帰って遅れているかなどと考えるわけです。

まず、正しい相対性理論によれば、
遠ざかって動いているものの時間は遅れて行くように見える、遠ざかって行く時計は遅れて行くように見えるのです。
逆に近づいて動いているものの時間は速く進むように見える、近づいて来る時計は速く進むように見えるのです。
また、このことは、見えるだけで、決して実際に遅れたり進む訳ではありません。

それで、実際に地球から遠くへ遠ざかっていった時計は、例えば10分とか遅れて見えるのです。
しかし、宇宙船が地球に帰還すれば、
近づいて時計は速く進むように見え、
その10分遅れて見えていたのが回復して元に戻って、地球の時間と一致していて何事もないのです。

それが、彼のの相対論は間違っていて、動いていればどの方向に動いても、常に遅れて見えるとなっています。
つまり、近づいて来る場合も遅れるとしています。
上の例では、時計が近づく帰りにも10分遅れるように見え、結局、地球の時間（時計）よりも20分遅れた時計が地球に着くことになってしまいます。


実は、更にアインシュタインの相対論は矛盾がでます。
それは、双子のパラドックスと呼ばれています。

上の例では、地球の時計と共に双子の兄がいます。
宇宙へ行った時計と共に双子の弟がいます。

地球にいた双子の兄は、アインシュタインの相対論により、宇宙旅行から帰った弟が、自分より20分若いはずと言うのです。・・・(1)
これは、問題ですが、上で述べたとおりです。

更なる問題は、実は弟の主張です。
運動は相対的ですから、弟から見れば、はじめ、地球の兄は遠ざかって行き、その後近づいて来た訳です。
弟から見れば、
兄の時計、地球の時計は、地球（時計）が、弟の宇宙船から遠ざかって行った時に10分遅れ、
地球（時計）が近づい来た時に10分遅れて見えるのです。
宇宙から帰った双子の弟は、アインシュタインの相対論により、地球にいた双子の兄が、自分より20分若いはずと主張するのです。・・・(2)

(1)と(2)が、矛盾、つまりパラドックスです。
彼の相対論では、(1)と(2)の主張がどちらも正しいのです。
勿論、地球の時計と宇宙から帰った時計は一致し、双子の兄弟は同じ年取りです。
相対論に間違いがある訳です。

jameskun · Answer

＞宇宙空間では時のスピードがゆっくりになる

のではなくて、宇宙空間で光速に近い速度で生活すると、地球から見て時間の経過が遅くなるだけです。
しかし、宇宙空間の本人は時間の経過は普通ですから、別に歳取るのが遅いわけではありません。比較するものがあって初めて時間経過の差異に気付くだけです。
だから、『相対』論と表現するのです。


自分も英語の教科書でアインシュタインに興味持ちました。英語は最低点でしたけど。

noname#19971 · Answer

『双子のパラドックス』ですね。
光の速度に近いスピードの宇宙船に乗った兄が地球に帰ってくると、弟が老いているという。

簡単のために、宇宙船ではなく、新幹線あたりが線路上を走る様子を想像してみて下さい(ただし、光の速度に迫るほどの高速新幹線です)。
新幹線には兄が乗っており、外で見ている弟の左側から右側へ通り過ぎていきます。
新幹線の中には、「光時計」が設置されています。
床に上向きに、天井に下向きに鏡が取り付けられていて、下の鏡に取り付けられた光源から発せられた光が上の鏡に反射し戻ってくる、というものです。

ここで、非常に受け容れるのが難しい理論を大前提として受け容れなければなりません。
『特殊相対性理論』というもので、「光の速度はどのような基準でも一定である」ということ。
例えば、新幹線の中で進行方向に向かって歩いている人の速度は、その新幹線の中で見れば５～６km/hですが、新幹線の外から見ている人から見れば、歩く速度に新幹線の速度を加えた速度になります。
これは、ごく当たり前のことですよね。
しかし、光に限ってはこれが当てはまらない、というのが、特殊相対性理論なのです。
つまり、停まっている新幹線のヘッドライトから発せられる光の速度をcとすると、その新幹線が250km/hで走っている時でも、ヘッドライトから発せられる光の速度はc+250km/hではなく、cである、というのです。
まあ、かのアインシュタインがそう言うのですから、我々凡人は「そんなものかな」と納得することにしましょう。

話を戻して、
新幹線に乗っている兄が、光時計の光源のスイッチを入れます。
床面から発せられた光は、垂直に立ち登り、天井の鏡に反射して真下に降りてきました。兄は、そんな光景を見ています。
その様子を外から見ていた弟の目には、光源から発せられた光は、新幹線の走行に合わせて左から右上に斜めに立ち登り、天井の鏡に反射して今度は右下に向かって降りていく、という様子が映ります。

ここで、光が走った距離を考えます。
兄が見た真上に登って真下に落ちる距離よりも、弟が見た斜めに登って斜めに落ちる距離の方が、長いですよね。
しかし、光の速度は一定なのです。
同じ速さで長い距離を移動するためには、長い時間が必要ですよね。
これが、実際に「同時に起こった」ことを考慮すると、「新幹線の中では、外よりもゆっくり時間が流れている」と考えると、つじつまが合うわけです。


この調子で、兄が宇宙船に乗って飛び続け、何年も経って戻ってきたとき、止まっている弟の世界は宇宙船の中よりも早く時間が流れ続けているため、兄は若く、弟は歳を取っている、というわけです。

tatsumi01 · Answer

私も厳密には理解していませんが、相対的に直線運動している二つの物体の間で相手を観測すると、相手の時間が遅く見えるのです。この遅れは現在の宇宙ロケットの速度程度では無視できる、宇宙飛行士が帰って来たところでほとんど差はありません。
しかし、相対速度が光速に近くなると大きな遅れになります。したがって、地球上から見ると光速に近い速度で動いているロケットの時計はかなり遅れて動いているので、ロケットを地球上に瞬間移動できるなら宇宙飛行士は若い筈です。
注意すべきことは、ロケットから見ると地球もやはり光速に近い速度で（反対方向に）動いているので、地球上の時計も遅れて動く筈です。だから、ロケットを地球に瞬間移動させたら地球上の人間は全員宇宙飛行士より若い？
この矛盾の原因は「相対直線運動」にあります。瞬間移動はできませんから、ロケットが帰って来るためには減速しないといけないし、方向も変えないといけません。厳密に計算しないとわかりませんがいろいろな効果が相殺しあって、恐らくロケットと地球の時間は同じだけ経過しているのではないでしょうか。

p-p · Answer

●アインシュタインの相対性理論のことですね

難しいので簡単に説明しますね

基本的に時間の流れは一定でなく
早く動くものは時間がゆっくりになり・・光と同じ速さになると時間の流れがゼロになります

逆に光以上の速度が出せれば　時間が逆もどりするって言うのがタイムマシンの理論です
（ちなみにこの世に光以上のはやさのものは存在しないとされています　）

例えば　光の速さの　ロケットに１０年間のりつづけて地球に返ってきたら　ロケットに乗ってる人は全然歳を取っていないのに　地球の人は１０年経過しているから１０年分ふけているような現象になったりします

（これは　実際に検証されているので空想論ではありません）
ですから宇宙空間でなくめちゃくちゃ早く乗り物が出来たら　早い乗り物にのってる人の方が時間の流れは遅くなります
通常の生活レベルでも時間の流れに誤差があるのですが
（電車に乗ってる人と歩いている人では厳密にいうと時間の早さが違う）実際に体感できるレベルほど誤差がないだけです。

実際に過去の実験で
ジェット機と地上に非常に正確な時計を置いて　ジェット機がマッハの速さで地球を一周して戻ってきたら時間の差が何万分の１秒か差ジェット機の方が遅れていた（つまりジェット機内の方が時間がゆっくり流れている）という実験がありました

oriyan · Answer

高速で動くものは時間がゆっくり進むという解釈だと思います。地球を脱出し、再び地球に落ちてこないためには秒速7.9km/sで動かなくてはなりません。7.9km/sとは1秒で7.9km進むということなので驚異的なスピードです。よってこの速度で永遠に動いた後、地球に戻ってきたら地球にいる人よりも若くいられるということです。ただ、この程度のスピードではあまり期待されないと思いますが・・・・。光速に近いスピードで動いた際に目に見える時間の遅れがわかると思います。
（実際には不可能ですが・・・）

参考URL：http://www.gem.hi-ho.ne.jp/katsu-san/audio/twin_paradox.html

merlionXX · Answer

アインシュタインの特殊相対性理論ですね。
高速度で動いているロケットの中では時間の進みが遅くなるというものです。
SFでよくでてきます。別名「ウラシマ効果」とも（笑）
参考URLをごらんください。

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%AE%8A%E7%9B%B8%E5%AF%BE%E6%80%A7%E7%90%86%E8%AB%96

宇宙空間にずっといると老いのスピードが遅いという話

＃１さん、＃２さん、＃３さん、＃４さん、＃５さん、＃７さんの説明は、双子のＡさんとＢさんの運動が対称であれば、おそらく全く正解です。

＃８の者です。

＞宇宙空間にずっといると老いのスピードが遅い

＞宇宙空間では時のスピードがゆっくりになる

『双子のパラドックス』ですね。

私も厳密には理解していませんが、相対的に直線運動している二つの物体の間で相手を観測すると、相手の時間が遅く見えるのです。

●アインシュタインの相対性理論のことですね

高速で動くものは時間がゆっくり進むという解釈だと思います。

アインシュタインの特殊相対性理論ですね。

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