【中高生必見】文系でも分かる相対性理論とは。

一度は絶対に聞いたことがあるが、いったいどういう物かはあまりよくわかっていない「相対性理論」それもそのはず、名前や簡単な歴史背景は勉強しますが実際の内容はなかなか勉強する事がありません。

そんな「相対性理論」について思考してみました。この記事ではさらに難しい一般相対性理論ではなく、特殊相対性理論について記述しています。

相対性理論とは

「相対性理論」本当にこれ、知ってますか?

中学校から高校の数学などでその言葉は多く聞くことがあるでしょう。

しかし相対性理論とは何か完全に理解されている方は少ないです。

一般相対性理論については物理を大学院で勉強しないと勉強する事は無く、日常生活では全く使わない知識なので全然理解できていなくても不自由はありません。

また相対性理論は直感と反しているので、反相対性理論という運動があった事も事実。

しかし頭で理解できないですが、式的には証明されていて、この理論が唱えられてから今まで覆されたことは知られている限りでは一回もありません。

しかしずっと名前だけ知られていて内容をしらない事はとても気になる、この記事を読んでくださっているという事は少なからず気になっているのではないでしょうか?

相対性理論を最初に唱えたのはかの有名なアルバート・アインシュタインで、まずは彼の人生から紐解いてみます。

すると相対性理論がどう生まれたのか理解できます。

相対性理論が彼の頭の中でどう生まれたのかを理解する事で相対性理論の理解により近くなると思います。

アルバートアインシュタイン

BBC引用

アルバート・アインシュタインは1879年ドイツ生まれの物理学者で、物理学者の中では世界で一番有名と言っても過言ではありません。

世界で一番有名な物理学者です。

相対性理論の他に、相対性宇宙論、揺動散逸定理、粒子と波動の二重性、シュレディンガー方程式などを提唱したことで知られています。

別名「20世紀最大の物理学者」とも呼ばれる彼が相対性理論を発表したのは26歳の時、アインシュタインと言うと上の写真のように舌を出したおじいしゃんというイメージですが現役バリバリの若い時に相対性理論を発表していたのです。

特殊相対性理論

今回深堀してみたのは、「特殊相対性理論」と呼ばれる、最初に発表された物。

後に重力なども含む「一般相対性理論」も同アインシュタインから発表されるのですが、一般相対性理論は大学の物理の授業でギリギリ習うかどうか、と呼ばれるほどに難易度が高いです。

なので今回はいったん置いときましょう。

※というか僕も一般相対性理論はあまりよく分かっていません。

一般相対性理論は特殊相対性理論を含んでいて、ここでは触れない重力マクスウェル方程式などの要素も足されていて、これを理解する為にはそのほかの方程式などを沢山理解しないといけない。

特殊相対性理論は直感に反す原理ですが、実際に日常生活で体感している物もあるので、まだ理解しやすい。

そしてギリギリ数学を使わなくても言葉で理解する事ができます。

そう、今回の目的は「相対性理論を数学を使わずに理解する事」です。なので数式などは使いません。

文系でもわかる様に本当に相対性理論の触りにしかなりませんが、この記事から興味を持って今後さらに調べて勉強していってもらえれば幸いです。

まず特殊相対性理論を理解する為には以下の2つの原理を理解する必要があります。

光速度不変の原理

光速度不変の原理とはどの慢性系から見ても光の速度は変わらないという原理です。

まず停止状態から見てみましょう。

これはもし自分は秒速0KMで移動していた場合(止まっていた場合)、光の速度はどの角度から、どの位置から見ても変わらないと思います。

これは直感的に理解できいます。光の速度は秒速約30万キロなので、どの位置から速度を図っても同じはずです。

ここまでは簡単。

しかし「慢性系」というのは一定の速度で直線に走っている場合という意味なので、例えば自分が秒速30万キロで走っていた場合にも適用されます。

もし自分が秒速30万キロ(光と同じ速度)で走っていた場合、光は止まって見えるでしょうか?

直感的に考えれば、光と同じ速度で進めば光は止まって見えるはずですが、この光速度不変の原理はその概念を覆します。

秒速30万キロで走っている状態から光の速度を図っても、それは秒速30万キロになります。

なぜかって?その理由は分かりません。でもそうなるのです。そしてこの式は発表されてから今まで覆されたことは一度もありません。

直感に反しているので理解するのがとても難しいです。

相対性原理

相対性原理は体感した事のある方も多いと思います、そうあなたも人生の中で1回は必ず体験しているでしょう。

相対性理論を日常的に実感している??

どの慢性系から見ても、物理原理は同じという意味で、電車の中でボールを上に投げるという例で説明される事が多いあの原理です。

動いている電車の中でボールを上に投げた場合、ボールは手元に帰ってくると思います。

そう、電車は前進して動いているのに、ボールは手元に戻ってくる。

直感的にはボールは手元では無く、投げた地点に着地すると思いますよね?しかしこれは自分でも何かしらの形で体感した事のある人が多いでしょう。

なのでこの原理はすんなり理解できると思います。逆に電車の中で投げたボールが手元では無く投げた地点に着地したらそれは変ですよね。

慢性系で動いている場合、人間は動いていると感じる事は出来ない。

エレベーターなどでも、上に動いているとき、下に動いているときは「動いている」とは感じませんよね。

動いていると感じるのは動き出した初動と減速して停止する時です。これは慢性系とは言えないので(速度が変わっているので)体感する事が出来ます。

今回参考にさせてもらったのは予備のりタクミさんの相対性理論についての本です。数学が苦手な方でもわかりやすく説明されていて、難しい式などは使わずに理解する事ができると思います。Kindle版の発売も行われいて、以下リンクより購入できます。

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