【理科】中学生でもわかる相対性理論 パート2
みなさまこんにちはLIT代表のはるです。国立理系大学院を修了した私が、天才物理学者アルベルト・アインシュタインの「相対性理論」について、数式を使わずに、中学生でもわかるようにお話していこうと思います。
本企画では、「相対性理論」のイメージだけお伝えします。数式に当てはめるには、トレーニングが必要になりますので、後日チャレンジしたい方は、やってみましょう！数学が嫌いで数式をみると鼻血がでてしまう私には、数式を完璧に理解できませんでした。ですので、「相対性理論」の本質だけ触れていきたいと思います。
今回の記事は、いよいよ「特殊相対性理論」のイメージを理解していきましょう！
※わかりやすさを優先するために、厳密には異なる部分がありますので、
予めご了承ください。概要を理解するのには全く支障ありません。
前回のおさらい
前回は、ニュートンの運動法則について、「慣性の法則」と「運動の法則」の２つをピックアップしました。
今回必要な「慣性の法則」は、教科書などでは、力が加わらない限り、
①止まっているものは、静止し続ける
②動いているものは、等速直線運動し続ける
というものです。第1法則の本質は「力が加わらない限り、どっちから見ても同じ結果になるよ」ということでした。
また、電磁気学の進歩にも触れて、マクスウェル方程式を解くと、
「どこから見ても、光の速さは、30万km/s」であることが分かってしまいました。その後、1887年マイケルソン・モーリーの実験によって、光の速さは、30万km/sであることが証明されてしまいました。
詳しくは、前回の記事をご覧ください。
特殊相対性理論について
「相対性理論」と一口に言っても、実は「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」の2種類あります。今回取り扱うのは、天才物理学者アインシュタインによって、奇跡の年の1905年につくり出された「特殊相対性理論」についてお話していきます。
「特殊相対性理論」の主張は、とてもシンプルなものなのです。
それは、「とりあえず、光速が30万km/sと慣性の法則という２つが事実で、今までの常識を疑ってみよう」というものです。
アインシュタインは、こんな思考実験をしました。
思考実験１
まず、レーザーから光を出して、鏡に反射させます。その時の戻ってくる時間が1秒でした。実験室内にいるAと実験室外にいるBが実験を見ています。仮に「光速30万km/s」と「慣性の法則」は、必ず成り立っていると仮定すると、「光の1往復は、1秒である」、「AとBが見た結果は、同じである」という前提が出てきます。
思考実験2
次に、思考実験１と同じ条件で、実験室がある速さで等速直線運動をしている。仮に「光速30万km/s」と「慣性の法則」は、必ず成り立っていると仮定すると、「光の1往復は、1秒である」、「AとBが見た結果は、同じである」という前提が出てきます。
しかし、Aの光の進んだ距離とBの光の進んだ距離が異なります。「光の1往復は、1秒である」、「AとBが見た結果は、同じである」を前提とすると、このような結論が出せます。
距離は、不変でなくてもよいことにしよう！
距離が不変でないことを受け入れると、「距離(空間)＝光速×時間」を考えてみると、距離(空間)は、不変でなく、光速は不変の場合、時間も不変ではおかしいので、「時間という概念も不変」でないことがわかりました。
これだけでは、机上の空論でしょと言われてもおかしくないので、アインシュタインは、数学的にこれらを証明していきました。
これが「特殊相対性理論」です。
これまで正しいとされていたニュートンの作り上げたルールは、間違っていたかというとそうではなく、空間や時間の変化が無視できるくらい限定的な条件で成り立つものでしたというだけなのです。空間や時間の変化は、私たちの生活の中だけでは、感じることができないので、当時なかなか理解されませんでしたが、後の科学者たちがどんな実験をしても「特殊相対性理論」は崩壊しませんでした。今のところ正しいとされています。
結局なにが分かったの？
1つ目は、時間の進み方は、観測している人によって、異なることです。正確ではないのですが、直感的にわかる例えがあります。つまらない授業の時間は、永遠かと思うほど長く感じることがありませんか？一方で、楽しいゲームや友達と遊んでいる時間は、一瞬に感じた経験はないですか？このように、人間に流れる時間は、変化しています。それと同じように物理のルールの中でも、時間は変化します。
しかし、例え話のように、感情が関わることはありません。物理のルールでは、感情ではなく、運動しているかどうかで時間が変わります。
地球上にいる人と飛行機やロケットに乗っている人に流れる時間は異なります。人間では感じることができませんが、機械はそうはいかないので、飛行機やロケット、人工衛星などには、「相対性理論」が活用されています。
2つ目に、「エネルギー＝質量×光速の2乗」(E=MC^2)で求められることです。これは、世界で最も有名な方程式とされています。これも「相対性理論」から導かれたものです。
アインシュタイン方程式によって、良くも悪くも「核分裂」の理解が深まりました。公式は兵器として利用されたと揶揄されています。
一般相対性理論へ
「特殊相対性理論」を完成させたことで、アインシュタインは次の疑問が生まれました。
具体的には、地球は、万有引力(重力)によって、太陽方向に加速しているおかげで、太陽の周りを回ることができています。太陽と地球までの自然界のルールで最も速い光速で、8分程度離れています。この時、太陽が一瞬で消滅した時に、地球は回り続けるか、はたまた地球は吹き飛んでしまうのかという疑問です。
つまり、ニュートンの第2法則である「運動の法則」は、特殊相対性理論を考慮でき、一般化できるのか次回をお楽しみに！
まとめ
いかがでしたでしょうか？今回は、「特殊相対性理論」を解説していきましたか？数式を一切使わずに解説することにチャレンジしてみました。物理は、思考という部分があり、計算だけではない面白さを少しでもご理解頂けたらと思います。次回は、「一般相対性理論」について、お話していこうと思います。少しでも理科が面白いと思ってくれることを願っています。
ここまで、お読みくださり、ありがとうございました。
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