PHYSICS · RELATIVITY

相対性理論

光の速さだけは、誰から見ても変わらない。

光の速さは誰から見ても同じ。アインシュタインはこのたった一つの事実を出発点にして、時間と空間の常識を書き換えました。さらに、重力は「力」ではなく「時空のゆがみ」だという、まったく新しい見方にたどり着きます。時間の遅れの話は時間のノートに詳しくまとめているので、ここでは理論の全体像を見渡します。

相対性理論とは

時間と空間は別々のものではなく、一つの「時空」だった。

相対性理論は二つの理論からなります。1905年の特殊相対性理論は、等速で動く世界での時間と空間を扱い、1915年の一般相対性理論は、それを重力のある世界へ広げました。

出発点は二つだけ。「物理法則は、どの立場の観測者にとっても同じ」「光の速さは、誰から見ても同じ」。この二つを両立させようとすると、時間や長さのほうが観測者によって変わるしかなくなります。

同時の相対性

ある人にとって同時に起きた二つの出来事が、別の速さで動く人には同時に見えない。「宇宙全体に共通のいま」はなかった。

時間の遅れと長さの縮み

速く動くものほど、時間はゆっくり進み、進む向きの長さは縮んで見える。詳しくは時間のノートへ。

質量とエネルギーは同じものE = m c²

わずかな質量の中に、光の速さの2乗という桁外れのエネルギーが詰まっている。太陽が輝くのも、原子力発電も、この関係による。

等価原理

落ちているエレベーターの中では、重さを感じない。重力と加速は、その場では区別できない。

重力は、時空のゆがみ

重いものは周りの時空をゆがめ、物も光もそのゆがみに沿って進む。「物質は時空にどう曲がるかを教え、時空は物質にどう動くかを教える」（ホイーラー）。

一般相対性理論は、100年以上にわたってあらゆる検証をくぐり抜けてきました。それでも、説明できない場所が残っています。

ブラックホールの中心と宇宙の始まり ― 理論が無限大を出して、それ以上先を語れなくなる（特異点）。
量子力学との統一 ― 重力だけは、まだ量子力学とうまく一つにまとまっていない。両方を一つの理論にする「量子重力」は、物理学の大きな未解決問題。量子力学のノートへ
宇宙を満たす見えないもの ― 銀河の動きや宇宙の膨張の加速を説明するには、正体不明のダークマターとダークエネルギーが必要になる。

時間は、宇宙に一つだけある時計ではなかった。

時間は誰にとっても同じように流れるものだと思っていた。けれど、速く動くほど、重力が強いほど、時間はゆっくり進む。本人にとってはいつも通りで、別の道をたどった人と時計を比べたときにだけ差が分かる。

そして相対性理論も、対称性から出発しています。「どの立場の観測者にとっても法則は同じ」という対称性を貫いた結果、時間と空間のほうが変わるしかなかった。力学のネーターの定理と同じく、ここでも対称性が世界の形を決めています。