相対性理論が理解できません（涙）

質問

ある子供向けのサイエンスブックみたいなものを読んだ時に相対性理論について知ったのですが、そこには時空がゆがむと書いてありました。
でも、僕は時と空間は常に平行に進むと思うのです。時間という概念は人が作ったものですから、本来この惑星にはなかったものは重さなどには影響されるはずがない、とは言えないのでしょうか？時というのは人間が社会を作り上げ、生活を営むうえでとても便利なもの。けれど空間とは影響し合えない別なものにどうしても思えてならないのです。
ですが、相対性理論は理解してみたいのでこんな無知な僕にも分かるように説明していただける方を探しています。どうかよろしくお願いします。

回答No.1

jing0708 · ベストアンサー

残念ですが事実です。

まず、科学に”思う”というものは存在しません。時間という概念も人間が作ったものではありません。それらを実際の事象と私が知る限りで光速と同程度の速さを実現しているのがワンピースの黄猿なので、その２つを使ってご説明します。

まず１つめは、時間が歪むという事象です。まず相談者さんの感覚はニュートンと同じもので、現在でも極めて精度を高くしない限りニュートンや相談者さんの感覚である時と空間は平行に進むという過程でことは進められています。現実的に、それで困ったことはないと思います。
では、極めて高い精度が要求されるGPSではどうなるか、見てみましょう。
それにはまず、一般相対性理論と特殊相対性理論の２つの定理を前提とします。
・光速に近づくと時の流れは遅くなる（一般相対性理論）
・質量の大きいものに近づくと時の流れは遅くなる（特殊相対性理論）
さて、GPS衛星は高速とまではいきませんが地球の衛星軌道上を極めて速い速度で進んでいます。従って、一般相対性理論に従うとときの進みは遅くなります。
それに対して、地球という大質量から遠ざかっているGPS衛星は特殊相対性理論に従うとときの進みは早くなります。
これは相反するように思うかもしれませんが、今の季節暖房を炊いて部屋の温度を過ごしやすい温度にするのと同じように、単純な足し算ができます。この時、衛星軌道の速度と地球からの距離による影響では
速度＜距離
の結果になります。つまり、GPS衛星は時が早く進むのです。その結果、GPS時計には自動補正システムが内蔵されており、時間がくるわないようになっています。つまり、実際に時は狂ってしまっているのです。これは時の感覚を考えなければなりませんが、量子物理学の分子運動や電子運動が密接に関わってきます。
地球で止まっている人間は、地球の重力による影響を主として受けます。その中で分子などがどういう軌道を取り、1分で何回転するかは理論的に計算することができます（重力なども規定値があるため）
しかし、宇宙では重力がほぼないため、この分子運動などが変わります。そうすると同じ時間でも邪魔がない分宇宙空間の方が自由に運動できる結果となります。この自由運動はエネルギーの消失を招き、相対的に時間が早くなったということをご理解頂けるかと思います。

ここで『じゃぁ、日常生活でもときは歪んでんじゃないの！？』と思うかもしれません。これを黄猿さんをモデルにご説明いたします。
ご存知ないとあれなので、黄猿というのは
・ワンピースの海軍3大将の一人
・光速に近い速度で移動できる
・とりあえず強いオッサン
と理解していてください。この人はたぶん50歳くらいで、毎日ある程度（キリよく10秒）は光速に近い速度で移動していると仮定します（面倒なので高速の60％）。
さて、この人が50年でどれくらい時間を短縮したかを計算するには、一般相対性理論の式に当てはめれば良いので
時間＝（１－質量の２乗÷光速の２乗）の二分の一乗で計算します。

ざっと計算すると、約10時間強短縮したことになります。おわかりでしょうか。光速で移動するような人間が50年間生きていて10時間しか短縮できません。それを我々は感覚としてつかめるでしょうか。

世の中には、この相対性理論を否定する人たちは山ほどいます。ちなみに、彼らに相対性理論の一般式から各種定理の式を導き出せるか問うと、できないそうです（物理系大学院生談）。結局彼らがいちゃもんをつけるのは特殊相対性理論（簡単）ばかりで、一般相対性理論に対していちゃもんをつけた人を私は知りません。
ちなみに、貴方の感覚に近いニュートン力学では説明できない事象が世の中にはたくさんあることが現在様々な論文で報告されています。ところが、これらは相対性理論なら説明が付きますし、つい最近もダークマターを巡る研究で相対性理論の物証とも言えるものが発見されました。

物理法則というのは結局式で表せてしまうので、間違いというのが基本ないのです。
感覚は、脳が勝手に修正してしまいますから意外にあてになりません。もし、これでご興味が湧きましたら相対性理論についての解説本をお手にとっていただけると嬉しいです。結構面白いですよ。

お礼

わかりやすい例での御教示ありがとうございます。
詳しいことは理解できませんが、相対性理論への考え方は分かったので納得です。ありがとうございます！

回答No.2

tetsumyi

相対性理論を理解している人なんて、大学出身者でもあまりいません。
数学的に理論を組み立てて、実際の観測にどんな結果が出るか導きだせるようになるならそれなりに理解できます。
時間と空間の関連なんて普通の人は理解するのではなく、地上に重力があると同じようにそれが宇宙を支配している法則であると考えてください。
どうして離れた物体に引力が働くかさえも、普通に人に説明することは無理です。
時間という概念は人が作ったものなんてことはないです。
人が時間の宇宙空間の時間と一致して物事を見たり、考えたりできるように作られているだけです。

お礼

そういう事なのだ、と納得するしかないのですね。
回答ありがとうございます！