1900年代初頭に登場した相対性理論は、何世紀にもわたる科学を覆し、物理学者に空間と時間の新しい理解を与えました。
相対性理論を考え出したのは誰ですか
アルバート・アインシュタインです。 アインシュタインは、1905年にドイツの物理学雑誌『Annalen der Physik』に、理論の最初の部分である特殊相対性理論を発表し、さらに10年の困難な作業を経て一般相対性理論を完成させました。
特殊相対性理論とは
この理論は2つの重要な概念に基づいています。
- まず、自然界には「特権的な」参照枠はありません。 物体が一定の速度で直線的に移動している限り (つまり、加速度がない限り)、物理法則は誰にとっても同じです。 これは、電車の窓から隣の電車が動いているように見えるのと似ています。 しかし、それは列車が動いているのか、それとも自分が動いているのか、それを見分けるのは難しいでしょう。 アインシュタインは、動きが完全に一様であれば、文字通り見分けることは不可能であると認識し、これを物理学の中心的な原理としました。
- 第2に、光は1秒間に186,000マイルの不変の速度で移動します。
この2つの定理をもとに、アインシュタインは、それまで科学者が気づかなかった空間と時間が絡み合っていることを示しました。
例えば、ロケットで疾走しているときに、同じだが速度の遅いロケットに乗っている友人を追い越すと、友人の時計は自分の時計よりもゆっくりと時を刻んでいることがわかります（物理学者はこれを「時の流れ」と呼んでいます）
さらに、友人のロケットは自分のロケットよりも短く見えます。 自分のロケットが速くなれば、自分の質量もロケットの質量も大きくなります。 速くすればするほど、物は重くなり、ロケットは速くしようとするあなたの努力に抵抗するようになります。
特殊相対性理論のもう1つの結果は、E = mc²（Eはエネルギー、mは質量、c²は光速を掛けたもの）という有名な方程式によって、物質とエネルギーが交換可能になったことです。 光の速度は非常に大きな数字であるため、わずかな質量でも、非常に大きなエネルギーに変換することができます。
一般相対性理論とは
基本的には、重力の理論です。 基本的な考え方は、重力は目に見えない力で物体同士を引きつけるのではなく、空間の湾曲やゆがみであるというものです。
例えば、太陽は太陽系全体の空間をゆがめるほど巨大ですが、これはゴムシートの上に重いボールを置いたときにゴムシートがゆがむようなものです。
このゆがみは、時間の測定にも影響を与えます。 私たちは、時間は一定の速さで刻々と過ぎていくものだと考えがちです。 しかし、重力が空間を引き伸ばしたり、ゆがめたりするのと同様に、時間を遅らせることもできるのです。 例えば、友人が山の頂上に登った場合、友人の時計はあなたの時計よりも早く進み、谷底にいる友人の時計は、それぞれの場所での重力の強さの違いにより、ゆっくりと進むことになります。
相対性理論は「ボンネットの中」ではどのようになっているのでしょうか
特殊相対性理論とは、ある参照枠での見え方と別の参照枠での見え方（時間と空間の伸縮や質量の増加）を関連付ける一連の方程式のことです。
一般相対性理論はもっと複雑です。
一般相対性理論はさらに複雑で、質量と空間の曲率や時間の拡張との関係を記述する「場の方程式」は、一般的に大学の物理学の大学院レベルのコースで教えられています。
特殊相対性理論と一般相対性理論のテスト
過去1世紀にわたって、多くの実験が特殊相対性理論と一般相対性理論の有効性を確認してきました。
1971年には、アインシュタインの理論を検証するために、正確に同期させた原子時計を旅客機に搭載し、世界各地を飛行させました。
この差は、飛行機の速度（特殊相対性理論の効果）と、地球の重力の中心からの距離（一般相対性理論の効果）に起因しています。
2016年には、時空の織りなす微妙な波動である重力波が発見され、一般相対性理論が改めて確認されました。
相対性理論の実践
相対性理論は難解なようでいて、現代社会に大きな影響を与えています。
原子力発電所や核兵器も、物質がエネルギーに変換されるという知識がなければ実現しませんし、GPS（全地球測位システム）の衛星ネットワークも、特殊相対性理論と一般相対性理論の両方の微妙な影響を考慮する必要があります。
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