119 年前の特殊相対性理論と 109 年前の一般相対性理論、どちらが相対的でしょうか?

監査専門家: 銭航

中国航空宇宙科学技術公司第一科学院の航空宇宙科学専門家

あなたが理系の学生で、大学で科学を学びたいのであれば、アインシュタインが残した2つの「山」を登る必要があります。1つは相対性理論であり、もう1つは依然として相対性理論です。

アインシュタインといえば、 E=MC²が多くの人の第一印象ですが、この「ネットセレブの公式」も相対性理論に由来しています。

特殊相対性理論が誕生してから119年が経ち、一般相対性理論も109年を経ています。では、相対性理論における「相対的」とは、お互いに対して、具体的に何を指すのでしょうか?

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「天国での一日は地上での百年である」という古代の伝説は、相対性理論における時間の遅れの概念と一致するのでしょうか？

今日は、時間と空間を旅するこのパズルを詳しく調べてみましょう。

特殊相対性理論：空間と時間の概念を再構築

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特殊相対性理論は、1905年にアルバート・アインシュタインが提唱した理論です。ニュートン力学における空間と時間の絶対的な見方を覆し、空間と時間の新しい概念を提唱しました。特殊相対性理論における「相対的」とは、主に異なる慣性基準系間の相対性を指します。

特殊相対性理論には、光速度不変の原理と等価原理という 2 つの中核となる仮定があります。光速度不変の原理は、いかなる慣性系においても、真空中の光の速度は一定であり、観測者の運動状態に依存しないというものです。この原理は、ニュートン力学における速度の重ね合わせの概念を破り、時間の遅れや長さの収縮などの驚くべき相対論的効果をもたらします。

等価原理は、局所領域では均一な重力場と加速参照フレームを実験的に区別することは不可能であると述べています。これは、加速している参照フレームを静止しているかのように見ることができ、物理法則がこれらの参照フレーム内で同じままであることを意味します。この原理は一般相対性理論の提案の基礎を築きました。

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特殊相対性理論では、質量とエネルギーの関係 E=mc² も予測されており、これは質量とエネルギーの等価性を明らかにしています。これは、質量とエネルギーが相互に変換できることを示しており、原子力エネルギーの利用の理論的根拠を提供します。

一般相対性理論：重力と時空の絡み合い

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一般相対性理論は、1915年にアインシュタインが提唱した理論です。これは特殊相対性理論をさらに拡張したもので、重力を空間と時間の枠組みに組み入れたものです。一般相対性理論における「相対的」とは、異なる慣性基準系間の相対性だけでなく、重力場における時空の曲率も意味します。

一般相対性理論では、物質の存在によって周囲の時空が湾曲し、物体の動きはこの湾曲した時空によって影響を受けます。この時空の曲率の考え方は、重力に対する私たちの理解に革命をもたらしました。重力はもはや遠隔作用ではなく、空間と時間の構造そのものの現れです。

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一般相対性理論は、ブラックホールや重力波など、多くの驚くべき現象を予測しています。ブラックホールとは、時空の特定の領域が極端に歪んでおり、光さえも逃れられない天体です。重力波は重力場の乱れであり、水の波のように空間と時間を通じて伝播します。これらの予測は多くの高精度実験によって確認されており、一般相対性理論の正しさがさらに証明されています。

さらに、一般相対性理論は現代宇宙論の理論的基礎です。ビッグバンやブラックホールの放射などの宇宙現象を説明し、宇宙の起源と進化を明らかにします。

一般相対性理論では、1915年にはすでに「重力場が強くなるほど、時間は遅くなる」と指摘されていたが、最初の正確な実験的検証が行われたのは1976年になってからだった。当時、科学者たちはロケットを使って原子時計を高度1万キロメートルまで送り、それが海面の時計よりも73年ごとに約1秒進んでいることを発見した。

2022年、中国の科学者イェ・ジュン氏が率いる研究チームがネイチャー誌に論文を発表した。研究チームが開発した世界で最も正確な原子時計を使用し、時間差は高さにして約1兆分の1ミリメートルであると結論付けた。この研究は、これまでで最も小さな規模で一般相対性理論を検証する実験でもあります。

ですから、親愛なる若い友人の皆さん、次に「相対性」という言葉を聞くときには、この二人の百歳以上の高齢者の物語を思い出してください。彼らは、世界は私たちが想像するほど単純ではなく、無限の謎と可能性に満ちていることを教えてくれます。

もしかしたら、あなたも将来、これらの謎を解明する科学者になれるかもしれませんよ！