科学的な答え: 相対性理論による時間の遅れの効果とは何ですか? また、それによって人間は不死になれるのでしょうか?

昨日、重力レンズ効果を紹介する記事を公開しました。記事の核心的な内容は、重力レンズ効果を通じて、質量による時空の歪みを人々が直感的に確認でき、アインシュタインの時空の歪みの理論が現実的かつ正しいことを証明しているというものです。

この記事を読んだ後、何人かの友人は、空間が曲がる可能性があることにようやく同意したようでしたが、次のような疑問が浮かびました。空間が曲がっているのなら、なぜ「時空」という言葉が伴わなければならないのでしょうか?これは時間とどう関係があるのでしょうか?実際、私は過去の多くの記事で時間の遅れの影響についてすでに説明してきました。これらの記事を読んでいれば、この質問をすることはないでしょう。

時間の遅れとは何ですか?

時空の曲率の理論と時間の遅れの理論は、どちらもアインシュタインの相対性理論の一部です。特殊相対性理論において、アインシュタインは主に速度と時間の関係を説明しました。これは一般に速度と時間の遅れの問題と呼ばれています。一方、一般相対性理論では、時間と空間の曲率の関係、つまり重力による時間の遅れの問題を説明することに重点が置かれています。

アインシュタインの相対性理論の核心的な内容は、時間、空間、物質の関係を説明することです。彼は一連の詳細な数学的および論理的議論を通じて、時間、空間、物質は三位一体であると信じ、異なる座標系では時間と空間は相対的であることを証明し、古典物理学における時間と空間の絶対的な見方を根本的に覆します。

議論のプロセスは非常に複雑なので、ここでは詳細には触れません。結論は非常に単純です。つまり、時間は異なる速度と異なる重力場で膨張するということです。簡単に言えば、速度が速いほど、座標系では長さの収縮と時間の遅れの効果が現れる可能性が高くなり、距離が縮まり、時間の経過が遅くなります。重力が大きい座標系では、時間はより遅く流れます。

しかし、上限は 2 つあります。光の速度と、時間と空間の終わりであるブラックホールのシュワルツシルト半径です。物体が光速で移動するか、時空の曲率が無限大（重力が無限大）となるブラックホールの事象の地平線に入ると、空間はゼロになり、時間は停止します。

しかし、光の速度は私たちの世界の限界です。静止質量を持つ物体は、それを突破することはおろか、それに到達することもできません。これは質量増加効果によるものです。物体が光速に近づくと、その運動エネルギーと質量は無限大になります。つまり、たとえ単一の素粒子であっても、光速に到達しようとすると、必要なエネルギーと運動量は無限大になるということです。

私たちの宇宙も有限です。つまり、静止質量を持つ物体を光速まで加速させるほどの無限のエネルギーを持つことは不可能です。光速に達すると、この粒子の運動量は宇宙の質量を超えますが、それ自体がパラドックスです。この問題については過去に何度も説明してきたので、今日は詳しく説明しません。

ここでは、2 つの時間の遅れの公式を通じて、時間、速度、空間の関係についてのみ説明します。

2つの時間遅れの公式の意味

特殊相対性理論による速度時間の遅れの式は、t'=t/√[1-(v/c)²]である。

式中、t' は速度時間の遅れ効果の値です。 tは低速観測者の最初のクロックによって記録された時間です。 v は最初のクロックに対する 2 番目のクロックの速度です。 c は光の速度です。

一般相対性理論による重力による時間の遅れを計算する式は、t'=tx√(1-2GM/rc²) です。

式中、t' は重力による時間の遅れ効果の値です。 tは低重力慣性システムにおける観測者の時間経過値である。 G は万有引力定数で、6.67x10^-11N·m²/kg² です。 Mは天体の質量です。 rは天体の半径です。 c は光の速度です。

導出プロセスは非常に複雑なので、細かい点を指摘するのは相対性理論に疑問を抱く「専門家」に任せましょう。大衆科学のために、そのような深遠なことを理解する必要はありません。

速度-時間の遅れ効果の公式によれば、物体が光速の半分の速度、つまり毎秒約 15 万キロメートルで移動すると、時間の遅れは 1.15 倍、つまり 15% 遅くなります。このように、宇宙船内の人々にとって1年が経過すると、地球上の人々にとっては1.15年が経過することになります。

光速が99%に達すると、時間の遅れの効果は7倍に達します。つまり、宇宙船上の人々にとって1年後、地球上の人々にとっては7年が経過することになります。光速が 99.999999999999% に達すると、時間は 707 万倍に伸びます。つまり、宇宙船上の人々にとって 1 年が経過すると、地球上の人々にとっては 707 万年が経過することになります。

同様に、重力が大きい座標系では、時間はより長く伸び、つまり、時間はよりゆっくりと経過します。 SF映画「インターステラー」では、宇宙船が太陽の1億倍の質量を持つブラックホールの近くにあるミラーの惑星に到着します。映画ではブラックホールの事象の地平線までの距離は明らかにされていないが、宇宙飛行士がそこに滞在する1時間ごとに地球上で7年が経過し、つまり時間は6万倍以上に膨張したことになる、と語られている。

宇宙飛行士クーパーが地球に戻ったとき、彼は以前と変わらなかったが、彼の娘はすでに90代になっていた。

宇宙で知られている最大のブラックホールである SDSS J073739.96+384413.2 の質量は太陽の 1040 億倍です。時間の遅れはどの程度になるでしょうか?ブラックホールの事象の地平線からの距離がわかれば、式に従って計算することができます。

多くの人は、相対性理論の関連知識を学ぶことを単純に軽蔑し、食べる、飲む、排便、排尿の論理に基づいて時間の遅れの理論を否定します。しかし、これらの人々が信じるかどうかにかかわらず、時間の遅れの理論は長い間、科学研究やさまざまな技術的応用に応用されてきました。最も典型的で一般的に使用される例は、ナビゲーションおよび測位システムです。衛星時間と地上時間の間に相対的な調整がない場合、ナビゲーションは Java に誘導します。

では、時間の延長効果によって人々の寿命は延びるのでしょうか?

私の答えは「ノー」です。

多くのネットユーザーは誤解している。高速宇宙船や大きな重力場の近くでは時間の経過が遅くなるので、この座標系に住む人々は長生きするのではないか？

実際のところ、これは全く事実ではありません。なぜなら、この座標系の人々は、時間が正常に流れていて、まったく遅くなっていないと感じるからです。 1分、1秒、1時間、1日の感覚は地球と同じです。放射線や無重力など、宇宙旅行に影響を与えるさまざまな要因を無視すれば、寿命はまったく変わりません。

つまり、地球上で 100 歳まで生きられるとしても、宇宙船上では 100 歳までしか生きられないということです。

実際、宇宙旅行の条件は地球上のそれよりもはるかに安全ではありません。そのため、同じ医療保険条件の下では、平均寿命に大きな影響を与えることになります。しかし、彼らが地球に戻って、地球人の時間の経過と比べると、地球人の時間の流れは彼らよりも速いことに気づくでしょう。どれだけ速くなるかは、宇宙船の速度、宇宙船が留まる重力場の強さ、そしてそこに留まる時間によって決まります。

速度と時間の遅れの公式によれば、宇宙船に乗って光速の 99.99% で 1 年間飛行して帰ってきた場合、地球上の人々にとっては 70 年が経過していることになります。宇宙船に乗って光速の 99.999999999999% で 254 万光年離れたアンドロメダ銀河まで行き、戻ってきた場合、地球上では 508 万年かかるのに対し、旅行者はわずか 0.7 年、つまり 8 か月強しかかかりません。

乗っている宇宙船が非常に遅い場合、つまり光速の 50% 未満、あるいはそれよりも遅い場合、時間の遅れの影響は非常に小さくなり、影響は大きくありません。現在の宇宙船の速度は秒速わずか十数キロメートルなので、旅行者に対する時間の遅れの影響は、地球上に住む人々と比較するとまったく無視できるほど小さい。

時間の流れは遅くなり、あらゆる面で遅くなります

時間の遅れ効果は、時間が遅くなっているように感じるということではなく、時間がまったく遅くなっているように感じないということです。いわゆる長さの収縮と時間の遅れの効果は、速度が速いほど距離が短くなり、必要な時間が少なくなると理解できます。どれくらい短くなりますか？これは時間の遅れの倍数に相当します。

例えば、光速の 99.9999999999999% で宇宙船に乗って 254 万光年離れたアンドロメダ銀河まで行くと、時間は 707 万倍に伸び、距離は 707 万分の 1 に縮まることになります。したがって、254 万光年の距離はわずか約 0.35 光年であり、往復距離はわずか 0.7 光年です。宇宙船の速度は光速に近いので、当然移動時間はわずか0.7年程度になります。

この計算は、加速、減速、停止の時間を無視して、この問題の理論値を示すためだけのものです。それにこだわらないでください。

したがって、宇宙船に乗っていた人々は、それだけ長い時間が経過したと感じたのではなく、実際にそれだけ長い時間が経過しただけだったのです。時間が経つ速さは表面的なものではなく、私たちの骨に宿っているものです。意識的な感情から体内のすべての細胞、さらには細胞を構成するさまざまな原子元素に至るまで、代謝サイクルは時間とともに変化を経験しているだけです。

同様の時間の遅れ効果が重力システムでも発生します。

したがって、高速で移動する人にとっては、地球上で比較的静止している人々と比較して、時間そのものの「経過」はより遅くなります。彼らにとって本当の感覚は、1 日は 1 日でしかないということであり、余分な時間を得たとは感じていません。

これは、私たちがよく「凍結年齢」と呼ぶものに少し似ています。つまり、年齢が凍結され、人々が雪の中で凍りついて何年も経ってから目覚めるのです。目覚めた人々にとって、世界では長い年月が経過していますが、これは凍った人々の長寿であると言えるでしょうか？

将来の深宇宙航行は時間の遅れの影響を最小限に抑えるだろう

時間の遅れ効果は客観的な存在であり、宇宙の法則です。それは宇宙を旅する人々に何の利益ももたらさず、むしろ多くの問題を引き起こすだけです。例えば、光速に近い速度で移動する宇宙船が本当に存在し、人々が地球を離れて特定の惑星に向かい、戻ってきたときには愛する人がいなくなっており、地球は大きく変化していたとします。そのような探検や旅行の目的は何でしょうか?

したがって、将来の深宇宙旅行においては、速度を上げることは一つの側面にすぎません。速度が光速の 50% 未満の場合、時間の遅れの影響はそれほど問題にはならず、人々はそれを受け入れることができます。しかし、より速い旅は、速度を上げることではなく、別の方法を見つけることにかかっているかもしれません。

現在、科学界は、深宇宙航行の速度ボトルネックを打破するには、ワームホール横断とワープドライブという 2 つの方法があると考えています。簡単に言えば、これら 2 つの方法は、トンネルを掘ったり、近道をしたりして目的地に到達することです。全体的な移動距離と時間から見ると、光速を何倍も超えているように見えますが、実際には速度は上がっていません。そのため、光速に制限されず、速度拡張効果も発生しません。

これらの方法はまだSFの段階であり、将来本当に実現できるかどうかはわかりません。これまでもいろいろ紹介してきました。興味のある方は、私が過去に公開した関連記事をチェックしてみてください。皆様のお役に立てれば幸いです。読んでいただきありがとうございます。ぜひ議論に参加してください。

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