相対性理論(物理)

登録日 :2011/03/27(日) 00:21:00
更新日 : 2016/11/02 Wed 21:21:08
所要時間 :約 5 分で読めます




相対性理論


相対性理論とは、誰もが一度は聞いたことのある理論であろう。

相対性理論はアルバート・アインシュタインが創始した理論であり、量子力学と並ぶ 物理の二大革命 と言われている理論だ。

相対性理論は
  • 特殊相対性理論
  • 一般相対性理論
この2つからなる理論の名称である。

特殊相対性理論が説明していることは慣性系のみである。
つまり物体が等速直線運動を行うことと、光速度不変の原理を前提に説明するということ。

光速度不変の原理とは、光の速度は止まっている人から見ても、動いている人から見ても、光は一定の速度である、ということを説明している。


さて、相対性理論では
動く物体は
  • 長さが縮む
  • 時間の進みが遅くなる
  • 質量が増える
ことが説明されている。


アインシュタインは光より早く動く物体は無いと唱えた。それが何を意味しているのか。

  • 時間の進みが遅くなる
元来、時間とは誰から見ても絶対唯一のものだと考えられていた。
しかし光は何があっても一定の速さだとすると、時間は変動してしまうのです。

ここにアイン、ツヴァイ、めいでんがいます。
めいでんは椅子に座っていて動いていません。そしてアインは秒速15万kmで飛行、ツヴァイは秒速30万kmつまり光速で飛行しているとします。

アイン、ツヴァイは同じ方向に飛びました。そして、二人がめいでんの前を同時に通過するとします。
通過した後、めいでんから見ればアインは前方に秒速15万kmで遠ざかっていき、ツヴァイも前方に秒速30万kmで遠ざかっていきます。
そしてアインとツヴァイの距離の差は15万kmに見える。

しかしアインから見るとめいでんは後方に秒速15万kmで遠ざかって行くように見えます。
そして通常ならアインから見たツヴァイは、速度合成の法則により、アイン自身が前方に秒速15万kmで飛んでいる分、ツヴァイの速度が秒速15万kmマイナスされて、
ツヴァイは秒速15万kmで前方に遠ざかって行くように見えます。

しかし光は何があっても一定の速度であるため、アインから見たツヴァイ(光)も秒速30万kmに見えるのです。

動いている人にも止まっている人にも光が同じ速度に見えるのは有り得るのだろうか。

その問題を解決したのがアインシュタインである。
ならその矛盾した分だけ長さを縮ませて、時間の進みを遅らせようぜ。とアインシュタインは言ったのです。


めいでんとツヴァイの時計が一秒経ったとき、アインの時計は0.5秒しか経っていないとしたら、ツヴァイが0.5秒で15万kmを進んだように見える。
更に0.5秒経った1秒の時にはツヴァイは30万km進んだように見える。

そう、これが時間の進みが遅れると言われる理由である。

  • 長さが縮む
対して、長さが縮むというのはどういうことなのか。
アインの持つモノサシはめいでんやツヴァイの持つモノサシは同じものだが、めいでんたちのモノサシより短くなる。

つまりアインが半分に縮めば、その分ツヴァイたちが長く見える。
アインの持つ30万kmのモノサシが半分に縮めば15万kmのモノサシになり、周りの物が長く見える。

アインが30万km進んでも、めいでんたちには15万kmしか進んでいないように見えるのだ。

これならツヴァイ(光)は動いている人にも止まっている人にも同じ速度に見える。と言うことだ。

  • 質量が増える
皆さんは考えたことはないだろうか。
宇宙では物体は等速直線運動をする。なら宇宙でロケットを噴射し続けると、いずれは光速に達するのでは、と。

宇宙でロケットは毎秒9.8mの一定スピードで加速していくとしよう。
すると計算上では1年後のロケットの速度は光速になる。さらにエンジンを噴かせれば光速を越えることも可能である。
しかし質量を持つ物体は光速に達することも超えることも出来ない。

質量を持った物体は加速していくにつれ、自身の質量が増えていくのだ。
質量が増えればスピードが上がりにくくなるのは、加速度の法則でもお馴染み。
1gの物体が光速の90%で動くと質量は約2.3kgになる。
なぜ質量が増えるのか。
特殊では、ロケットを加速させようとするエネルギーが質量に変換されるためである、という見方がある。
ロケットを加速させようとするエネルギーは、ロケットを加速させず、質量に変換されるのである。

これは大革命だった。

質量保存の法則やエネルギー保存の法則、この物理学の基礎をなす2つの法則を矛盾することになる。
それどころか質量とエネルギーは同等だと言うのだ。

そしてこれがエネルギーと質量の関係式である。

E=mc^2
エネルギー(J)=質量(g)×光速の2乗(ms^-1)


光速の2乗は900億である。そのような莫大なエネルギーが、わずかな質量の物質内に秘められているのだ。

そしてこれが基礎となった兵器が、日本国民なら誰もが知っている

原子爆弾

である。


1gの物質を完全にエネルギーへと変換すると90兆ジュールのエネルギーになる。

ちなみに広島に投下された原爆が放出した熱量が約63兆ジュールである。

後にアインシュタインは自分が作った理論で多くの命を奪ってしまったことに、深く後悔したという。







追記・修正はアインシュタインの後継者にお願いします。

この項目が面白かったなら……\ポチッと/