相対性理論は、トリプルスクープのアイスクリームコーンのようなものです。私たちのほとんどは、深刻な脳のフリーズを経験することなく、一口でそれを飲み込むことはできません。それでは、一度に 1 杯ずつこのトピックに取り組んでみましょう。 4 世紀以上遡るバージョンの相対性理論、ガリレオ相対性理論から始めます。
そう、この宇宙ジェラートは、有名なイタリアの天文学者ガリレオ・ガリレイの発案ですが、その内容は次のようになります。一定の速度と方向で移動する 2 人の観察者は、すべての機械実験で同じ結果が得られます。
問題の実験が電車の通路にピンポン球を投げるほど複雑なものではないとしましょう。速度と方向が一定である限り、列車がカタツムリのペースで進んでいる場合でも、線路を勢いよく走っている場合でも、ピンポン球はまったく同じ動作をします。速度や方向の変化によって列車が揺れない限り、車内にはまったく違いがありません。
しかし、スピードを出している電車の外では、話（または基準の枠組み）が異なります。
スピード違反の電車に乗っている人にとっては、時速 100 マイル (時速 161 キロメートル) で走っているとしましょう。ボールは通常の速度で動いているように見えます。線路のそばに立っている人にとって、ボールは（見えていると仮定して）電車の速度にボールが投げられる速度を加えて動いているように見えるでしょう。
そのボールは実際にどのくらいの速度で飛んでいますか？わずか時速 5 マイル (時速 8 キロメートル) で投げたとします。これに列車の速度を加えると、合計速度は時速 105 マイル (時速 169 キロメートル) になります。この計算はガリレオ変換として知られています。電車に乗っていると、電車が跳ね上がって胸に当たっても時速165マイルとは思えないでしょう。ただし、外側と比較すると、それが移動する速度です。
さて、ここが難しいところです。電車の通路を懐中電灯で照らしたらどうなるでしょうか?光波は光速よりも速く時速160マイルで伝わるでしょうか?物理学者のアルバート・A・マイケルソンとエドワード・モーリーによれば、そうではないという。 1879 年、二人のアメリカ人は光の速度を測定する画期的な実験を実施しました。結局のところ、光は毎秒 186,000 マイル (毎秒 300,000 キロメートル) の一定速度で伝わります。どう考えてもこれ以上速く移動することはできず、ガリレオ相対性理論の概念を破壊します。
幸運なことに、アルバート・アインシュタインは 1920 年に特殊相対性理論で事態を解決しようと介入しました。
特殊相対性理論と一般相対性理論
相対性理論の円錐形に 2 杯目のスクープを山盛りしましょう。ドイツ生まれの物理学者アルバート アインシュタインのご厚意による、黒い森の素敵な味わいです。先ほど述べたように、ガリレオ相対性理論は、ニュートン物理学からいくつかの調整を受けた後でも壊れました。科学者たちは、スピードを上げている電車の中でも光は一定の速度で伝わることを知りました。
したがって、アインシュタインは特殊相対性理論を提案しました。これは要約すると、物理法則はすべての慣性系で同じであり、光の速度はすべての観測者で同じです。故障したスクールバスに乗っている場合でも、スピードを上げている電車に乗っている場合でも、あるいはある種の未来的なロケット船に乗っている場合でも、光は同じ速度で移動し、物理法則は一定のままです。速度と方向が一定で、覗き込む窓がなかったと仮定すると、これら 3 隻の船のどれに乗っているかはわかりません。
しかし、特殊相対性理論の影響はあらゆるものに影響を及ぼします。本質的に、この理論は距離と時間が絶対的なものではないことを提案しました。
今度は 3 番目のアイスクリーム スクープの時間です。これもアインシュタインからの大量の援助です。ドイツのチョコレートと名付けましょう。 1915 年、アインシュタインは、相対論的な宇宙観に重力を組み込む一般相対性理論を発表しました。
覚えておくべき重要な概念は等価原理です。これは、ある方向に引っ張られる重力は別の方向の加速と同等であると述べています。加速エレベーターが上昇中に重力の増加を感じ、下降中に重力が減少するのはこのためです。重力が加速度と同等である場合、重力（運動と同様）が時間と空間の測定に影響を与えることを意味します。
これは、星のような十分に重い物体が重力によって時間と空間を歪めることを意味します。そこで、アインシュタインの理論は、重力そのものの定義を力から時空の歪みに変更しました。科学者たちは、この定義を裏付けるために、時間と空間の両方の重力による歪みを観察しました。
その方法は次のとおりです。地球上の時計と、惑星の質量から遠く離れた軌道上の衛星の時計を比較したため、軌道上では時間が地球上よりも速く流れることがわかっています。科学者はこの現象を重力時間遅延と呼んでいます。同様に、科学者たちは、重力レンズと呼ばれるもので、大質量星の周りを曲がる直線の光線を観察しました。
それでは、相対性理論は私たちに何をもたらすのでしょうか?それは、宇宙を解読するための宇宙論的な枠組みを私たちに提供します。これにより、私たちは天力学を理解し、ブラック ホールの存在を予測し、宇宙の遠方の地図を作成することができます。
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