なぜ相対論では、時間の流れる速さが変わるのか? | まきしま日記~イルカは空想家~

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ちゃんと自分にお疲れさま。

「アインシュタインの相対性理論とは、一体何ぞや?
端的かつ簡潔に答えよ」

もし問われたら、俺ならこう答えるだろう!

「”ある2つの仮定”に基づき、物体の運動を記した理論である」




そして”ある2つの仮定”とは、

(1)相対性原理

静止もしくは等速直線運動をする全ての観測者から見て、
物理法則は等しく成り立つ。

(2)光速不変

静止もしくは等速直線運動をする全ての観測者から見て、
光速度は常に一定である。




ちなみに俺は、Amebaの科学コミュに参加している。
先日、こんな疑問が飛び交った!

「なぜ相対性理論によると、時間の流れる速さが変わるのか?」

…何ででしょうね?
俺も真剣に考えてみたことは一度もない。

そこで今日はこの問いに対し、
文系まきしま、全力で回答を試みたい!!




まずは小学校の算数!
   速度=距離/時間 ……①

当然のことだが、①は常に成り立つ。




今、静止しているA君と、
秒速20mの車に乗っているB君がいたとする。

そして車の進行方向に、秒速30mで野球ボールを投げる!

A君から見ると、ボールは1秒間に30m進んでいる。
よってボールのスピードは秒速30mで間違いない!

しかしそれを、車に乗っているB君が見たらどうだろうか?

ボールは車と並行して、1秒間に10mしか進んでいない。
よってB君から見て、ボールのスピードは秒速10mである!

以上、ボールの速度は観測者の運動によって変わってくる!!

まあ、野球ボールであればそれで問題ないのだが…




ではここで、①をちょっといじる。
   光速度=距離/時間 ……②

そして②もまた常に成り立ち、
尚且つ光速度は常に変わらないものとする。

(ちなみに光速度は、秒速30万kmである!!)




今、静止しているC君と、
秒速20万kmのロケットに乗っているD君がいたとする。

そしてロケットの進行方向に、秒速30万kmの光線を放つ!

C君から見ると、光線は1秒間に30万km進んでいる。
よって光線のスピードは秒速30万kmで間違いない!

しかしそれを、ロケットに乗っているD君が見たらどうだろうか?

光線はロケットと並行して、1秒間に10万kmしか進んでいない。
よってD君から見て、光線のスピードは秒速10万kmである!




非常に困ったことになった!

C君から見て光は秒速30万km、D君から見て光は秒速10万km、
2人が見た光の速さが違ってしまったのだ!!

これは明らかに(2)光速不変に反する!




では、もう一度②を見て欲しい。
   光速度=距離/時間

光速度は誰が見ても一定、
しかしC君、D君それぞれが見た光の1秒間の進行距離は違う。

ならば②が成り立つためにはどうしたらいいのか?




実に簡単な話!

D君の(距離/時間)、分母の時間を小さくすれば良い。

つまりC君にとっての1秒間より、
D君にとっての1秒間をゆっくり長くしてしまえば良いのだ!

よってC君よりもD君の方が時間の流れが遅くなる。
これが相対性理論が予測する現象、「時計の遅れ」である!!

ちなみにロケットが速く進めば速く進むほど、
船内の時間の経ち方は遅くなる。




さて現在、光よりも速く進むことは理論上不可能とされる。

しかし将来、さらに宇宙航行技術が発展すれば、
人類は亜光速のロケットも製造可能となるだろう!

そして幸運にも、亜光速ロケット内は、
ほとんど時間の流れが止まっているも同然である。

つまり乗組員は、全く歳をとらないのだ!!




けれどだからと言って、調子にのって、
宇宙の彼方まで有人探査に行くのはあまりお勧めしない。

例えば銀河を一周して20万光年!

ロケット船内ではほとんど時間が経たない!
乗組員にしてみりゃ、2泊3日程度の小旅行であろう。

しかし!母なる地球ではしっかり20万年経過!!

文明は跡形もなく滅び、人類はもうどこにもいないかもよ…