« 棄権権行使のすすめ(選挙) | トップページ | インモラルと人間の解放 »

2006年3月23日 (木)

サルにもわかる相対性理論①

 思うところあって,初歩的な相対性理論の入門を連載しようと思います。

 まずは,テーマと概要について。。。。。。

 1.テーマ

 一般には難しいと思われている相対性理論をやさしく解説する。

 数字や概念は説明して使うが,数式,グラフ,図は極力使用しない。

 2.概要

 (1)はじめに

 われわれのまわりの自然現象が,宇宙のどこでもどんな速さでどのように運動していても同じように起こるだろう,ということの不思議を問いかける。

 地球の自転や公転,銀河系の公転などから,われわれが静止していると思っていても実は高速で運動しているかもしれない,という問題意識を提示する。

 相対性理論がそれらの疑問の解決を与えることを紹介する。

2)限界速度は光速であって無限大速度は存在しないということ

 "無限大+有限(無限大)=無限大","無限大―有限=無限大"であることを説明する。

 ある長さの硬い棒の一方を押すと即座に他の端が押されるように認識しているが,これは実は無限大の速さを無意識に認めていることになる。

 しかし物体を押すということは必ずその弾性を利用している。

 "はねかえる力=弾性力"が伝わるのであるから,それが伝わる速さはせいぜい弾性波の速さであり,つまりその中を音が伝わる速さでしかない。

 音は真空中では伝わらず媒質が必要であり,"硬いもの=弾性力が大きいもの"の中ほど速く伝わる。

 具体的には音速は媒質の弾性力の平方根に比例する。

 "無限に硬いもの=剛体"の存在を認めるなら,それは無限大速度の存在を認めるのと同じである。「アインシュタインの相対性理論」はそれを否定する。

 「ニュートン,ガリレイの相対性原理」は最大速度が無限大であることを前提にしている。

 ニュートン,ガリレイは力学的方法(物を投げる,落とすなど)によっては,"動いているか止まっているか?を決めることができないこと"を示した。これが「ガリレイの相対性原理」である。

 一方,アインシュタインは電気磁気的方法(電波や光など)によっても"動いているか止まっているか決定できないこと"を示し,ひいては力学,電気磁気,熱その他どんな方法を用いても"運動か静止かを決定できないこと"を主張した。

 これに基づくのが「アインシュタインの相対性原理」である。だから,どんな運動をしていようと,あらゆる自然現象はどこでも自分が止まっているかのように起こるのである。

 電磁気を考慮すると普遍定数として"電磁波=電波"の速さcが出てくる。

 これが測る観測者によって違うとすると,例えば住んでいる星によって電波の速さが違うということは,その星々によって電気・磁気の法則が違うことになる。

 逆に電気・磁気の法則がどこでも同じとするとニュートンの法則がまちがっていることになる。

 アインシュタインはニュートンの法則を捨てて,電気・磁気の法則の方を正しい法則として採用した。

 そして,「アインシュタインの相対性理論」は"限界速度が有限であること"を前提としている。

 これがニュートン,ガリレイとの決定的違いである。

 もし有限な限界速度が存在すれば,それは誰にとっても同じであるということから,"限界速度不変の原理"が成立する。現在「光速度不変の原理」として知られている。

 それに対してトンデモ学者の「相対性理論は間違っている」という主張は,ほとんどが光速度を測定する実験がおかしいので,実は"真空中の光速度は不変ではないということ"が論拠になっている。

 もちろん真空中の光速度はこの100年間,そして現在もなお100年前とは比べものにならない精度で本質的には疑り深い実験物理学者等によって,地球上のみならず,宇宙空間,シャトルの中,さらには複雑屈折するがゆえに光速が遅くなる光ファイバの中においても幾度となく測定され,"真空中では光速は不変であること"はまちがいないことが検証されている。

 しかも,もともと軍事目的で開発され現在ではカーナビとして広く利用されているGPSはその精度がピンポイント的に優れているのは,"電磁波=光"の速度が一定であるという「アインシュタインの相対性原理」のおかげである。

 百歩譲って,"真空中の光速は不変ではないこと"がわかったとしても,"限界速度が無限大ではないということ"さえ真実ならば「アインシュタインの相対性理論」は輝きを失うものではない。

 話はそれたが,限界速度があればそれはどんな運動をしているかによらず同じであるということ,つまり無限大と同じ性質をもつことから運動座標系のあいだの"ローレンツ変換"という「公式」が出てくる。これを平易に説明することは私にはやや困難であるけれども。。。。。

 (3)同時ということの相対性,時間の遅れ,ローレンツ収縮

 "限界速度一定の原理"を認めると,止まっている人にとっての違う場所での同時が運動している人での同時と違うということが必然的にわかるので,それを説明する。

 また,いわゆる「公式」が成立するので運動している横に長さを持った物体を静止している観測者がみると,ちぢんでいると観測する。

 これを発見した人の名前を取って「運動物体のローレンツ(フィッツジェラルド)収縮」という。

 また,運動している物体の感じる時間間隔は止まっている観測者の時間に比べて進み方が遅い,つまり時刻が遅れていく。

 これを"運動物体の時間の遅れ"という。

 極端な話,限界速度で走る物体である光はわれわれから見るとまったく年をとらないということができる。だから数億年前に消滅した星の光もそのままで届くともいえるのである。

 もちろん,運動している当人にとっては顔が平べったくなったり(ペンローズによればそうではないらしいが),時間が遅れているなんてまったく気が付かない彼にとっては物はちぢんではいないし時間もふつうに進むのである。

(↑自分自身での時間のことを固有時間という。)

|

« 棄権権行使のすすめ(選挙) | トップページ | インモラルと人間の解放 »

101 教育・学校(物理)」カテゴリの記事

105. 相対性理論」カテゴリの記事

コメント

コメントを書く



(ウェブ上には掲載しません)




トラックバック

この記事のトラックバックURL:
http://app.f.cocolog-nifty.com/t/trackback/71281/1137917

この記事へのトラックバック一覧です: サルにもわかる相対性理論①:

« 棄権権行使のすすめ(選挙) | トップページ | インモラルと人間の解放 »