相対性理論の定義とは!?

なぜ、光より速いものはないのか?宇宙の膨張は光より速いのに!!

宇宙のサイズ、この空間というのは、現時点で、光速の約3.5倍の速度で地球から遠ざかっている(宇宙の膨張というのは空間そのものの膨張ですので、光速を上回る事もできる)。

これを説明すると、現時点で、私たちが観測できる、一番古い時代に放出された光というのは、約138億年前に約4100万光年、の距離の空間から放出された光となっています。

更にその(光源が存在する)空間については、現在450億光年彼方にありますので、光については138億年掛けて、138億光年の道のりを旅してきた、というわけです。

たった、4100万光年の距離を光が進むというのに、138億年という時間が掛かったというのは、宇宙の膨張地球についての接近を阻んだためなのです。(これというのは、流れの速い川を上流へ向かう船がどうにも前に進めない事と似ている。宇宙空間の膨張については一般相対性理論によって導かれる。そのため、電磁波の媒質である空間の膨張することにより、地球を基点とした時の、地球から距離のある場所に存在する光の速度が変わっても、特殊相対性理論においての「光速度不変の法則」とは整合性がある)。
 

相対性理論とは何?

 
相対性理論と言うのは、アインシュタイン1905年から作った物理の理論で、相対論と概略します。

その内容に関しては、「ものが縮む」「空間が曲がる」であるとか、かなり難しいモノになっているのです。

さらに、アインシュタインの式であるE=mc2E=mc2とされる式を見たことがある人もおられるのではないかと思うのですが、これについても、相対性理論とされるものを表しているものです。

相対性理論というのは、大きく2つに分かれます。

「特殊相対性理論」「一般相対性理論」になります。

特殊相対性理論のほうが難しそうに感じますが、間違いなく、一般相対性理論の方がかなり難しいでしょう。

今回については、特殊相対性論・一般相対論の要素のみを紹介させて頂きます。
 

『相対性理論」とはどのような現象が起きるのだろうか?

 
何はともあれ相対性理論というのは、どのような現象を指し示すのかについて紹介しようと思います。

『特殊』『一般』というのは、それぞれの特殊相対論によって分かる事・一般相対性論によって分かる事、といった意味を指します。
 

相対性理論の定義というのは!

 

結果1 光の速度より速く動けるものは無い(特殊)

結果2 光の速度から近い速さで動くものは、縮んで見える(特殊)

結果3 光の速度から近い速さで動くものは、時間が遅く流れる(特殊)

結果4 重いものの周りであれば、時間については遅く流れる(一般)

結果5 重いものの周りであれば、空間が歪む(一般)

結果6 重さとエネルギーというのは同じ(特殊)

というものになります。

かみ砕いて分かりやすく説明を付け加えさせて頂きます。

結果1 光の速度より速く動けるものは無い。

光の速度より速く動けるものは無いという意味です。

とは、1秒で地球7周半くらい進める速さになります。

これというのはとんでもない速さになりますが、際限なく速いということではありません。

わかりやすく言うと将来的に、どんなに科学技術が進歩を遂げても、飛んでもない速さの新幹線やロケットが出来たとしても、これらについては、光の速さを超えることはできないという事です。

☆発展 どういうわけで光の速さを超えることが出来ないのかの説明★

相対性理論においては、スピードが存在するものというのは、少し、重くなってしまいます。

わかりやすく言うと、あなたが止まっている場合と、走っている場合だと、走っている状況の方が体が重くなってしまいます。

体が重くなってしまうと、走りにくくなると思います。

すなわちスピードが出しにくくなってしまいます。

そうだとしても、一生懸命になって、もっと速度を出したとします。

そうすると、より一層、体は重くなってしまいます。

仮に、光の速度で走れば、あなたの重さというのは無限になってしまいます。

そして体が重すぎて、これよりもっと『簡単に言うと光の速さ以上』速度を出せなくなるのです。

結果2 光の速度がかった速さで動くものはと記しましたが、実際のところは光の速度っぽくなくても構いません。

周辺を走行する車も、歩く人も、実のところ、縮んでいます。

ですが、縮む量が、ものすごく小さ過ぎるので、私たちの目には認識できないという事です。

目に見えるほど縮んで見えるというのは、光の速度っぽい速さで動くことが求められます。

☆発展 一方でロケットから地球を見ると…☆

地球からロケットを確認すると、ロケットは縮んで見えることから、ロケットから地球を見た場合、地球は伸びて見えるというのでしょうか?

答えについては『ロケットから見たとしても、地球は縮んで見える』が正解になります。

ここのポイントの説明はかなり大変ですが、できるだけシンプルに言うのであれば、地球から見て動いているのはロケットですが、ロケットから見て動いているというのは地球なのでということです。

「周囲から見ると動いているというのは、電車ですが、電車の中から見れば、動いているとされるのは周りの景色」とされるパターンとよく似ています。

結果3 光の速度っぽい速さで動くというのは、時間が遅く流れる結果には光の速度っぽい速さで動くものはと記しましたが、実質的に光の速度でなかったとしても構いません。

結果2と一緒ですが、周辺を走る車も、歩く人であっても、飛ぶ飛行機も、実のところ時間については、遅く流れています。

ですが、遅延する時間の量がものすごく小さすぎて、私たちの感覚では認識することが容易じゃないのです。

頭でうなずけるくらい遅延するには、光の速度っぽい速さで動くことが求められます。

結果4 重い物の周囲であれば、時間というのは遅く流れる重い物の周囲においては、時間が遅く流れるのです。

繰り返し言ってることですが、私たちがこの効果を感じ取ることは、宇宙の大規模な星やブラックホールあるいは、並はずれて重い物の周囲に限られるのです。

さらにこの文章をひっくり返すと「重い物から距離をおくと、時間については早く流れる」となるのです。

私たち、地球とされる重い星の上にいるので、「海の底」「エベレストの頂上」からでは、地球から距離がある「エベレストの頂上」の方がわずかに時間が早く進んでいるというわけです。

結果5 重い物の周囲では、空間が歪む。

これについてもすごく難しいこととなります。

どういうふうに歪んでいるかに関しては、分らないのですが、いずれにせよ、歪んでいるそうです。

天体級に重いものになれば、空間を極端に曲げ、そこのところを通過する光においてさえ曲げてしまう事となります。

結果6 重さとエネルギーは同じ

これまでエネルギーというのは、力が掛かっていたりとか、熱をもっていれば、電気が流れていたりとか、ものが動いていたりしないとされていました。

ですが、相対性理論を解いていけば、止まっているものにも、エネルギーが存在する事が分ったのです。

更にそのエネルギーというのは、重さに比例していきます。

それを、表した式というのが、誰もが知っているアインシュタインの式、E=mc2(m掛けるcの2乗)になります。

ここでEというのは、エネルギーmが重さ、cは光の速度を表しています。

光の速度というのは決まっており、定数とされ、Eとmが比例している事が分かります。

すなわち重い物というのは、それのみで、エネルギーが大きく、軽い物はエネルギーが小さいということです。
 

相対性理論の実例

 
リアルに扱われている相対論の実例においては、GPSを紹介します。

上記で解説したように、相対論というのは、すごくスケールの大きい話に発展しないと解りません。

おのずと実例スケールの大きいものになります。
 

GPSと相対性理論

 
私たちが利用しているカーナビ等に、GPSが使用されているのです。

これの、お陰により、私たちは道に迷うことなく進むのですが、キチンとした情報を得る事ができるというのはGPS衛星の中にある時計が正確に動いているお陰になります。

GPS衛星ですが、地球の一円を、凄まじい速度で、毎日グルグルとまわっているのです。

凄まじい速度でまわることから、『結果3 光の速度から近い速さで動く物は、時間がゆっくり流れる』から、GPSの時計については遅れてしまうのです。

一方で、GPS衛星だと地表から2万キロメートルを上回る高度に存在します。

すると今度は『結果4 重い物の周りだったら、時間はゆっくり流れる』を言い変えた「重いものから距離をとると、時間というのは早く流れる」が関わってきます。

この結果にによって、GPSの時計というのは進んでしまうのです。

要するに『結果3』から時計というのは遅れ、『結果4』から時計については進みます。

リアルに計算をすると『結果4』の方が影響が大きいことから、全体として時計は進んでしまうわけです。

GPS計算というのは。これによって、補正を自動で実施するため、私たちは正しい位置情報が得られます。

この補正がないと、1日に10㎞を超えるズレが生じてしまって、使いものにならないことになります。