簡単でわかりやすい！「相対性理論」とは？特殊相対性理論・一般相対性理論を元理系大学教員が詳しく解説！
よぉ、桜木建二だ。今回は相対性理論について解説していくぞ。相対性理論は現代の物理学で基本となる理論の一つだ。今、広く知れ渡っている宇宙の姿は、この理論なしには生まれなかったと言える。そんな相対性理論を理系ライターのひいらぎさんと一緒に解説していくぞ。
解説／桜木建二
「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。
ライター／ひいらぎさん
10 年以上にわたり素粒子の世界に携わり続けている理系ライター。中でもニュートリノに強い興味を持っており、その不思議な性質を日夜追いかけている。今回は現代物理学の基本的な理論である相対性理論についてまとめた。
相対性理論とは？
よく「相対性理論」や「相対論」といった言葉を耳にしますが、これは特殊相対性理論・一般相対性理論の二つの理論をひとまとめにして表現したものです。
どちらの理論も物理学者のアルベルト・アインシュタインによって提唱されました。アインシュタインはこれ以外にも多くの理論を作り、物理学の広い分野に多大な貢献をした人物ですが、特に今回解説する相対性理論が有名ですね。
では、この相対性理論はどのような内容なのか、特殊と一般という名前がついているのはどうしてなのか、など詳しく見ていきましょう。
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今までの時間と空間の概念を変えた、特殊相対性理論
特殊相対性理論が登場するまでは、イギリスの物理学者アイザック・ニュートンの作り出したニュートン力学によって様々な現象を説明できると考えられていました。ニュートンは、リンゴが木から落ちる様子を見て、万有引力の法則や運動方程式、慣性の法則、作用・反作用の法則といった運動の三法則の着想を得たと言われています。
ところが、アインシュタインの活躍した時代に入ると、このニュートン力学だけでは上手く説明できないものが出てきました。そこでアインシュタインは次に挙げる二つの基本原理を使って特殊相対性理論を提唱し、ニュートン力学をより大きな枠組みで作り変えたのです。
・光速度不変の原理: 真空中の光の速度は互いに一定の速度で運動する観測者（慣性系と呼びます）に対して不変であること。
・相対性原理: どの慣性系でも物理の基本法則の形は変わらないこと。
なお特殊相対性理論では、より単純な慣性系から理論を始めるため、重力の効果は含まれていません。
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桜木建二
特殊相対性理論は昔からあった考え方の枠組みを押し広げた、画期的な理論だったんだな。では、その理論の描く世界がどのようなものになるのか、見ていくぞ。
物体や時間が縮む！？特殊相対性理論で描かれる時空間
image by iStockphoto
ニュートン力学では、空間と時間は絶対的なもので、どのような状況であっても時間の進み方や空間の大きさが変化することはないと考えられていました。ですが、光の速度が常に一定であること、どの空間・時間であっても基本法則の形が変化しないことを同時に要請する特殊相対性理論では、その概念が崩れるのです。
光に近い速度で運動しているロケットを止まって観測する人がいるとしましょう。すると観測する人に映るロケットは、進んでいる方向に対して縮んでいるように見えます。これはローレンツ収縮と呼ばれる現象です。
またロケットの中に時計が置いてあるとすると、観測する人からは自分のしている時計よりもゆっくりと針が動いているように見えます。これも特殊相対性理論から導かれる現象で、これまで絶対的だと思われていた時間も、観測する立場が異なると変化する相対的なものとなりました。
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質量とエネルギーは等価なもの
時間と空間の変換にともない、運動方程式の形も変化させないといけません。これは特殊相対性理論の基本原理から、どこの慣性系でも物理法則の形が変わらないようにするためです。すると、ここから物体の質量がエネルギーと等価である、という事実が導き出されます。これが有名な質量とエネルギーの関係を表す数式 E = mc^2 です。
日常に潜む特殊相対性理論
ローレンツ収縮や時間の遅れる現象は、当然、私たちの日常では見かけません。例えば新幹線に乗っていたとしても、光の速度は秒速約30万キロメートルであるのに対して、新幹線の速度は時速約360キロメートル、すなわち秒速0.1キロメートルとなり、はるかに遅くなってしまいます。すると特殊相対性理論はニュートン力学と同じものになってしまうのです。
特殊相対性理論の効果は素粒子の世界で顕著に現れます。身近な例では、空から降り注いでいる多種多様な宇宙線。この宇宙線の中には非常に短い時間で崩壊し、別の粒子になるものがあります。ですが、一部は短寿命にも関わらず崩壊することなく地表まで届くのです。これは宇宙線が光速に近いスピードで運動しており、時間の進み方が遅くなるためと考えられます。
質量とエネルギーの関係式から得られるエネルギーは、今日、原子力として広く知られており、発電などの形で活かされていますね。
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