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皆さんは「相対性理論」とは何か、ご存知ですか?

有名な理論なので、名前くらいは聞いたことがあるでしょう。しかし、具体的にどのようなことか、と聞かれると説明はおろか想像さえつかない人も多いのではないでしょうか。

今回は、この相対性理論について、誰にでも分かるよう楽しくやさしくお話します。物理を知らない方でも大丈夫! では、解説を始めます。

相対性理論における原理とは

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、相対論とも呼び、特殊相対性理論と一般相対性理論の総称です。

その昔、光(電磁波)の研究をしていた人たちは、理論的に光の速さを求めることに成功しました。その速さは、なんと1秒間に地球を7週半できるほどの速さでした。しかし、ここでふと「この光の速さとは、何に対する速さなのだろうか? 」という疑問が浮かんだのです。

分かりやすく説明しましょう。例えば、道を走っている赤い車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、その赤い車と同じ方向に走る時速20kmの青い車から測ると、赤い車の時速は50km-20km=30kmとなります。このように、速さを測る時には、誰がどこで測ったのかも重要になってくるのです。

光の話に戻ります。光の速さとは、いったい誰から見た時の速さでしょうか。道を走る車から見た速さ? 地面に立っている人から見た速さ? しかし地球だって動いているわけだし……。この問いに対し科学者たちは、宇宙には完全に止まっている場所(絶対静止系)があり、その場所で計測した速さではないかと考えました。それなら、つじつまが合いそうですね。

しかし、20世紀で一番偉大な科学者と言われるアインシュタインは、そうは考えませんでした。彼は、こう考えたのです。「走る車から測っても地面に立って測っても、つまりどんな場所で測っても光の速さは常に一定である」と。これを、光速度不変の原理と呼びます。

突飛な考えのように思われますが、絶対静止系を探る実験がうまくいかなかったこともあり、意外と自然とも言える発想でした。しかし、アインシュタインは、絶対静止系を探る実験とは関係無く、光速度不変の原理を仮定して理論を構築していたと言われています。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。

そして、この光速度不変の原理をもとに計算していくと、普通では考えられないことが起こり得るということが明らかになったのです。続いて説明していきましょう。

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人によって時間の流れ方が変わる

時間は、誰にでも同じように流れるものであると信じられてきました。つまり、時間は絶対的なものであると考えられてきたわけです。しかし、先ほど述べた光速度不変の原理をもとに考えると、驚くことに、時間は人によって流れ方が違うということが明らかになりました。つまり、時間は相対的なものだと言うのです。

具体的に説明します。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、あなたの動く速さが加速し光の速さに限りなく近づくと、あなた自身の時間は、地上で普通に生活している人から見るとほとんど止まっているように見えるのです。

つまり、あなたにとっての1秒間が周りにとっての1000年にもなり得るというわけです。このように考えると、理論的には未来へのタイムスリップは可能なのです! しかし、光の速さに近づけるほどの膨大なエネルギーが見つかっていないという点と、あくまでこのタイムスリップは一方向(現在→未来)で現在に戻ってくることができないという点から、今のところ実現可能性は低いと言われています。

過去へのタイムスリップについては、今のところ手立ては見つかっていません。過去へのタイムスリップができる理論もあるのですが、そのほとんどが、宇宙のどこかにあるだろうと言われていまだに見つかっていない謎の物質を使う方法だったり、今の人類ではどうしようもないほどの莫大なエネルギーを使う方法だったりして、全く現実的ではありません。また、著名な科学者であるホーキング博士も、時間順序保護仮説というものを提唱し過去へのタイムトラベルを否定しています。ただし、ホーキング博士は

タイムマシンが将来的にできるかどうかに関しては「私は誰とも賭けをしないだろう」とした。

(出典:Wikipedia|スティーヴン・ホーキング

もし将来、新しい理論が生まれれば、過去へのタイムトラベルも可能になる……かもしれませんね。

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相対的なのは時間だけではない

時間の相対性のせいで、他にも色々と不思議なことが起こります。物体が速く動けば動くほど、(相対的に)その物体は縮みます(これをローレンツ収縮といいます)。

また、物体は速く動けば動くほど質量が大きくなっていきます。人でいえば体重が増えるのです。日常的にも、重い物を動かすのは大変ですよね。光の速さに近づくと、物体はとんでもない重さになります。これを動かすには膨大なエネルギーが必要になります。このことが、先ほど述べた、光の速さに限りなく近づけるには膨大なエネルギーが必要になる、ということの理由なのです。

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いかがでしょうか。
速く動くと、時間が遅れたり、縮んだり、重くなったりすると聞いて、なんだか奇妙に思えるかもしれませんが、日常レベルではほとんど影響しません。例えば、次のような実験データがあります。

「地上に置いた時計」と「世界一周している飛行機の中に置いた時計」を比べたところ、世界一周から帰ってきた飛行機の中の時計の方が59ナノ秒(0.000000059秒、ナノ=10億分の1)遅れていたのだ。

(引用元:世界一周ブログ!On The Road|世界一周すると59ナノ秒タイムスリップする!相対性理論を理解しよう!

飛行機で世界一周しても、地上で止まっている人とは59ナノ秒しか変わらないということ。ロケットで宇宙旅行にでも行くわけでなければ、相対論的な効果を恐れる必要はありません。

この世界は不思議なことであふれています。その一端を感じていただけたならうれしい限りです。

(参考)
世界一周ブログ!On The Road|世界一周すると59ナノ秒タイムスリップする!相対性理論を理解しよう!
Wikipedia|スティーヴン・ホーキング


早稲田大学先進理工学部物理学科所属。横浜サイエンスフロンティア高校卒業。大学では理論物理学を中心に日々勉強に励んでいる。