物理理科統計力学・相対性理論

5分で分かる「ウラシマ効果」浦島太郎はなぜおじいちゃんに?この物理現象を理系ライターがわかりやすく解説

4-1.距離、速さ、時間の関係

算数で出てくる公式である「距離=速さ×時間」。これはどんな場合も例外なしです。速さが一定で距離が長くなれば時間もは長くなります。ちなみに光速度(30万km/秒、1秒間で地球7周半進む速さ)はcで表されることが多いです。この光速度は宇宙で最も速い速度であり、これ以上速いモノはないとされています。

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4-2.相対速度

4-2.相対速度

image by Study-Z編集部

同じ動きを観測していても、観測する基準によって速度や移動距離が変わってきます。例えば、Aさんが時速21kmで壁と平行に走りながら時速72kmで壁に向かってボールを投げたとしましょう。Aさんからみるとボールの速度は?時速72kmですね。では止まっている人から見たボールの速度は?そもそも止まっている人から見たらボールは壁に真っ直ぐ向かっておらずAさんと共に横方向にも時速21kmで動いていますね。イラストに示す斜め方向に向かっておりその速度は三平方の定理から時速75kmとなります。このように、同じ動きを捉えていても系(観測する基準)によって速度は異なるもの。

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4-3.異なる系から見た移動距離

4-3.異なる系から見た移動距離

image by Study-Z編集部

前項で壁までの距離が24mだったとしましょう。ボールが壁にぶつかるまでの移動距離は何mでしょうか?まずAさんから見るとボールは真っ直ぐ壁に向かって行ったように観測されるためボールの移動距離は24m一方静止状態から観測するとボールは斜めに投げられたのだから作図より移動距離は25mと求まります。横方向に動いているAさんからしたら、横方向の動きは無視出来るため速度も移動距離も壁なら垂直な向きのみとなりますが、静止している人から見ると横方向の動きも考慮する必要があり速度も移動距離も長く観測されるのです。

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前述の相対速度をおさえておけば、速度を持った系で時間が縮む原理がスムーズに入ってくるぞ。

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5.時間の収縮

5.時間の収縮

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なぜ速度を持っていると時間の進み方がゆっくりになるか?

イラストのように、速度vで進む系の垂直方向に光を発射します。Lだけ離れた鏡に到達するまでの時間を考えましょう。速度がゼロの静止系から見た人ははt=L/cだと言っており、静止系の人はそれより長いと言っております。速度vの系から見た方が光の移動距離は短いですが、速度はどちらも変わらずc。速度同じで距離が短い移動系では辻褄を合わせるがごとく経過時間も短くなるのです。

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あれれ?さっきのボール壁当ての例では時間は同じでボールの速さを変えていたのに今回はなぜ時間が違っているの?それは今回移動しているのは光だから。光の速さcはどんな系から見ても変わりません。ボールのように静止系と運動系で速度が変わることはあり得ません。その代わり移動時間の方が変わる必要があるのです。

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