相対性理論の時空について

質問

相対性理論では動いている物の時間はゆっくり流れるので、止まっている物の1.0秒が動いている物では1.0秒以上になると思うのですが、よくSF映画とかで光速に近いロケットが宇宙を旅行してきて1年後帰ってきたら100年経っていたみたいな感じになるじゃないですか。しかしよく考えると、ロケット（動いているもの）の１年は、地球（止まっている物）の1年より長いので地球はまだ１年も経っていないとことになりますよね。ここがいまいち分からなくて困っています。自分の考えとSF映画どちらが正しいのですか？

回答No.5

shun0914 · ベストアンサー

他の方も指摘されているようにまず勘違いがあります。

＞ロケット（動いているもの）の１年は、地球（止まっている物）の１年より長い

とは、ロケットの１年は、地球から見ると時間がゆっくり進むように見えるので、地球の１年より長く（たとえば）100年にあたる、ロケットの１年を地球から観察しようと思ったら100年かかる、ということです。したがって相対論（この場合特殊相対性理論）もSF映画も矛盾はありません（SFは往々にして科学的に正しいことを基にして描かれています）。

もうひとつ付け加えると、ロケットが普通に飛んで行く（等速直線運動をする）場合、地球からロケットを見るとスローであり、しかも
「ロケットから地球を見てもスロー」
になります。これはこの運動が相対的だからです。

では、なぜ
＞１年後帰ってきたら100年経っていたみたいな感じになる
のか。No.1さんが指摘しているのはこの点です。要は「帰ってくる」という運動が等速直線運動でなく、Uターンを伴うからです。これによってロケットと地球は相対的に立場が同じという状態が崩れます。

Uターンには減速・加速、あるいは方向転換が必要になります。このとき慣性力（みかけの力、遠心力など）がロケットにかかります。これは重力と同じ効果を与え、一般相対性理論を考慮する必要が出てきます。

一般相対論では強い重力によっても時間が遅れます。つまり、ロケットがUターンをするとき、ロケット内の時間は地球から見ると極めて遅く流れ、地球の時間はロケットから見ると極めて速く進みます。Uターンの最中にロケットから地球の時計の針を見ていたらグルグル周り、季節も変わり、あっと言う間に何10年も経つというわけです。

こうして
＞１年後帰ってきたら100年経っていた
という「双子のパラドックス」が現実のものになります（パラドックスと言っても何も矛盾は無く、パラドックスではありません）。

したがって、「光速近い速さのロケット」という部分を除き、SF映画は荒唐無稽な話をしているわけではありません。SFもレベルが上がって、いまどき物理学に矛盾するようなSFはたぶん相手にされないと思います。

回答No.6

Tacosan

既に指摘されているように, 「帰ってきたら」が重要です.
「帰ってくる」ということは途中で運動が変化します. この「運動が変化する」ときに (特殊相対論的な意味では) 等価でなくなる (等速度運動ではなくなる) ので, 時間の流れ方が変わります.
そうじゃなくって, 「遠くからこっちにやってくる」ということであれば質問者さまの考えた通りなんですが.

回答No.4

yukigle

正しいも何も、そもそもＳＦ（サイエンス・フィクション）とは、科学的空想を元にした物語です。どっちにしても文学的で通りますが、残念ながら物理学を度外視しているため、信じる気持ちも分かりますが、科学的には正しくないのです。

回答No.3

FMnew7

No.2です。
前回の回答の最後の1行は間違いなので訂正します。
失礼しました。

回答No.2

FMnew7

SF映画の方が正しいです。
ゆっくり流れるということは、時間の増加する割合が小さいので、動いている物では1.0秒以下になります。
例えば、ビデオをスローで再生した場合、作業者の時計では10秒経っていても、ビデオ内の時計では5秒しか経っていないという事です。
地球からロケットを見るとスローで、ロケットから地球を見ると早送りという感じです。

回答No.1

ojisan7

>自分の考えとSF映画どちらが正しいのですか？

SF映画のほうが正しいですね。
ところで、質問者さんの考えは、よく分かりません。たとえば、「動いている物の時間はゆっくり流れるので、止まっている物の1.0秒が動いている物では1.0秒以上になる」とおっしゃっていますが、これは、勘違いですよね。「動いている物では時間がゆっくり流れるので、1.0秒以下」でなければなりませんよね。

ところで、「ウラシマ効果」と「双子のパラドックス」の違いって、分かりますか？質問者さんは、「ウラシマ効果」について述べていますね。「ウラシマ効果」は運動の相対性を考慮すると、どちらが動いているのか区別できませんね。動いている物から見れば、止まっているものが動いていますので、止まっている物の時間がゆっくりになります。「ウラシマ効果」では、絶対的な時間の食い違いは生じません。

SF映画は「双子のパラドックス」の場合です。この場合は、光円錐を描けば容易に分かるように、動いているものが折り返す地点で、光円錐を折り曲げなければなりません。（行きと帰りの、つじつまを合わせるために、座標変換をしなければなりませんが、このことが光円錐の屈曲となって表れるのです。）この、光円錐の折れ曲がった点で、止まっている物と、動いている物との時間の差（絶対的な時間の食い違い）が生じます。

運動は、相対的なのに、どうして、動いている物と止まっている物の区別がつくかは、簡単ですので、ご自分で考えてくださいね。

お礼

お返事ありがとうございます。　
自分の中で双子のパラドックスをよく理解していませんでした。やはりSF映画はよくできているんですね。