相対性理論について

質問

特殊相対性理論・一般相対性理論がまったくわかりません。ネットで調べたのですが、特に「物体が光の速度に近づくと、質量が増え、時間が遅くなる」。そして「光の速度になると、質量が無限になり、時間は止まる」というところがよくわかりません。光と時間と質量はそれぞれ別々のものだと思ってるんで、光の速度になったからといって質量や時間が影響を受けるというように密接にかかわってるというのがいまいちよくわかりません。現在中学3年なんですが、中学生にもわかるようにわかりやすく解説していただけるとありがたいです。

回答No.10

satoumasaru · ベストアンサー

＃９の方のご意見を受けてまず特殊相対論をわかりやすく書いてみましょう。特殊相対論は、たったふたつのことが原則になっています。
１．慣性系において物理の法則は同等である
２．真空中における光の速度は一定である
たったこれだけなんです。

慣性系というのは、一定の速度を動いている系のことです。この慣性系の中では物理法則は全く同じ式でかけるというものです。静止している系Ａを動いている系Ｂから観測すれば、むしろＢが静止して、Ａが動いているように見えます。このそれぞれの系が、全く同等というものです。これが１です。

もうひとつの原則は光速度は真空中においては一定の速度で進むというものです。（そう観測されるといったほうがわかりやすいかもしれません）、これが２ですね。

なんだい、こんなことは当たり前じゃないかと思われるかもしれません。でも次を考えてみましょう。（光速度を３０万ｋｍ／秒とします）。ロケットが光速度の半分、１５万ｋｍで地球に近づいているとします。そのロケットからだされた光が地球に届くとしますね。普通だったらロケットから発射される光の速度は、ロケットの速度＋光の速度で４５万ｋｍの速度になるはずですよね。

ところがこれは先ほどの２、光速度不変の原理に反します。ではアインシュタインはどうしたか、、光速度不変になるように空間と時間の概念を変えてしまうのです。空間と時間は私たちは別々の不変のものと思っていますが、むしろ不変なものは光速度であり、空間と時間は一体となって、光速度が不変になるように変更されるというものなんです。そのため、距離が短くなるとか、時間が遅れるとか、非常識で理解に苦しむことがたくさんでてきます。

詳細については数式できっちり書かなければなりませんし、このような小スペースで書ききることはできません。ですので、ご自身で一度勉強をしてみて下さい。一般の啓蒙書は相対論がもたらす状況を興味本位で書いてあるものが多いですが、きちんと理解しようとすると数式もはいっている本が必要です。数式が入っているといっても、高校生程度の数学の力があれば特殊相対論は理解することができます。

私には
相対性理論の初等講義／東京図書
がおもしろかったです。

なお、アインシュタインは特殊相対論ではまだ不十分だと考えました。なぜなら、運動には等速度で動く場合だけではなく加速度運動（広い意味での加速度運動というのは速度が速くなるだけではなく減速するもの、回転するものも含まれます）もあるからです。

考えてみてください。新幹線の中で新幹線が同じ速度で走っている間は、ホームでまっているときと同じ感覚ですが、加速するとき、減速するとき等には、慣性力という力がかかります。

アインシュタインは、この特殊相対論を更に拡張して、加速度系にも適用しようというものです。そのための公理として
１．あらゆる非慣性系においても物理法則は同等である（正確には局所慣性系において物理法則は同等である）
２．加速度の及ぼす影響と重力の及ぼす影響は区別できない。
ということを基本として一般相対論をあみだしたのです。一般相対論について理解するためには、テンソル、リーマン幾何学等々の大学の数学専攻程度の能力が必要となります。

お礼

わかりやすい説明ありがとうございます。下の方々もありがとうございます。なんとなくですが相対性理論というものがわかってきました。これからは、自分で本を読んだりしていきたいと思います。

回答No.9

shiara

普通の人の考え方とは違っているかもしれませんが、時間の遅れについて理解する参考になればと思い、私の考え方を述べます。
　時は流れます。なぜかというと、変化があるからです。変化の無い世界では、時間は意味がありませんから、時も流れません。私たちが住んでいる世界で常に時間が流れるのは、常に変化があるからです。この変化を与えているものが光です。光は誰が見ても常に一定の速さで動いています。止まることはありません。
　こう考えると、時間の進む速さを決めているのは光の速さではないかと思えます。つまり、光が決まった早さ（秒速約30万km）になるように、時間の進む速さが決まるのです。高速で飛んでいるロケットに乗っている人と止まっている人が同じ光を見て、同じ速さだというのは信じられないですよね。ロケットから見たら、遅く見えると思うのが普通ではないですか。きっと遅くなるんです。でも、それが秒速30万kmに見えるように、時間の方が遅れるんです。というか、時間の進み方が決まるのではないかと、私はそんなふうに考えています。

お礼

すごくわかりやすかったです。ありがとうございました。

回答No.8

lion-queen

御専門や物理通のみなさん、もう少しやさしく教えてあげましょうよ。
特殊相対性理論の範囲内で、光速不変の原理から「時間の進みが遅くなる」を導くくらい中学生でも理解できそうじゃありませんか。

回答No.7

nabla

相対論というのは簡単に言うと時空の性質についての理論です。
人類は２０世紀初頭まで「時間は全員誰にもに同じように流れる」というようなことを無反省に受け入れていました。（今でも大部分の人はそうでしょう）
しかしそのような仮定に基づくと説明のつかない現象が出てきました。
そこで改めてアインシュタインは「時間とは何か？」と言うことについて深く考えた結果、相対論にたどり着いたのです。
つまり、相対論の本質はＥ＝ｍｃ＾２ではなく「時空はどういう性質を持っているのか」と言うことなんです。「時間とは何か」こんな素朴な疑問についてじっくり考えることのほうが「質量はエネルギーと等価」と知ったように言っているよりはるかに相対論の理解に役立つはずです。
ちなみにいわゆる双子のパラドックスなどと言われる相対論の中で一番一般の人に人気のある部分はローレンツ変換と呼ばれる変換から当然の結果として出てくる話でローレンツ変換の導出は中学生でも理解出来ます。（わざわざ勉強する必要性は感じませんが。そんなことよりも「時間とは何か」をじっくり考えてみましょう。哲学の深みにはまらない程度に。）

回答No.6

bttf2003

あなたの物理学に対する、知識や理解度がまったくわかりませんので、いきなり説明しても混乱するばかりだと思います。
そこで、１つ質問をします。

「天動説」と「地動説」とどっちが分かりやすいですか？

物理学者は、面倒くさがり屋（特に、理論物理学者は）です。
天動説を、実感としては正しいと思うのが普通の人間です。
（地球が太陽の周りを回っているのを、日常気がつく人は、ほとんどいません）
だから、「普通の人間」なら天動説の理論的な説明を正しいと考えます。
しかし、物理学者はもっと簡単に説明できないか？と思い、太陽と地球の間には「万有引力の法則」が働くと考えた方が、より簡単に理論的な説明ができるので、より正しいと考えます。

＞光と時間と質量はそれぞれ別々のものだと思ってるんで・・・

別に、特殊相対性理論を正しいと分からなくでも、日常生活にはほとんど影響はありません。
勉強でも、相対性理論の話は、大学の物理学を勉強するまでは、先生は教えてくれないですし、大学受験のテストにも出ませんので、知る必要はほとんどありません。
大学で、物理学を習うまで知らなくても、全然問題ありません。
（しかも、特殊相対性理論を正しく知っている人は、少ないです。ただし、一部のマニアや、正しい知識を学んだ人を除く）

ここまで、読んで来てもまだ知りたいなら、「特殊相対性理論」のここだけはどうしても知りたいことを一つか二つだけ上げて、「補足」に書いてください。

このサイトでも、特殊相対性理論はよく話題になっていますので、過去の質問も読んでください。

また、講談社のブルーバックスという（科学をやさしく解説しています）、特殊相対性理論をやさしく解説している本もたくさんありますので、一冊くらい目を通しておいてください。
ここでは、「１０歳からの相対性理論」都筑卓司著（B584)を上げておきます。（この本が、一番分かりやすいとか、正しいということはありませんから、誤解しないでくださいね。分かりやすいかどうかは、質問者さんにしか分かりませんから）

そして、「一般相対性理論」を正しく理解するのは、初心者には難しいので、ここでは「あとで、勉強する（予備知識を蓄えておく）」ことを、アドバイスしておきます。

回答No.5

mmky

[どちらか片方から見た相手の速度は160だが、もしこの車が光速だったら時速30万キロで通常の光の速度と変わらないと書いてあったのですがなぜでしょうか？]
という質問ですが、
アインシュタイン先生は、ちょっと考え方が違っていたんです。それはどういう状態でも、たとえすれ違ったとしても光の速度が変わらないとしたらどういうことが起こるのだろうと考えたんですね。これから得られたのが光速度不変を基にした特殊相対論ですね。更にそれを一歩進めて、四次元時空間に速度制限を持ち込んだのが一般相対論なのですね。どうしてそうなるというのではなく、そうであればどういうことが考えられるのかと思考したのですね。考え方なのです。その後、いろいろな実験や観測を通じてアインシュタイン先生の考え方が正しいのではとなったのですね。電車のすれ違いなんかをそのような見方で考えてみると時間短縮や長さの伸長などがでてきますから考えてみてくださいね。そうすれば特殊相対論ぐらいはすぐわかります。

回答No.4

tosiki

こんにちは。＾＾
特殊相対性理論・一般相対性理論ですが、
ただ単に、
※光速は宇宙の基準であり、速度は変わらない。
（光速度不変法則）
これだけなんです。

ここで、Ｅ＝ＭＣ＾２と言う公式が出てきます。
もし、この方程式が正しければ質問の、

※物体が光の速度に近づくと、質量が増え、時間が遅くなる。
※光の速度になると、質量が無限になり、時間は止まる
こう言う計算結果になってしまうのです。

知ってると思いますが、ブラックホールの時間も遅いですね。＾＾
光の速度になるとを消して→質量が無限だと時間が止まるんですよね。＾＾

超重力で時間が止まる。
光速になると時間が止まる。
これは、Ｅ＝ＭＣ＾２
この方程式から導き出された計算結果です。

回答No.3

he-goshite-

わたしは，高校生のときでしたが，「ガモフ全集」白楊舎（だったと思う)（「１，２，３・・・無限大」とか「不思議の国のトムキンス」など）　を読んで，なんとなくそのときは理解しました。興味がおありのようなので，そのような図書をさがして御覧になってみてください。

なお，日常生活レベルでは，「光と時間と質量はそれぞれ別々のものだと思ってる」のは正しい感覚だと思いますが，それでは相対性理論は理解できません。

回答No.2

noname#19193

相対性理論について簡単に解説というのは難しいので、お勧めをひとつ。

「アトム博士の相対性理論」というまんががあります。

それなりに分かりやすく、アインシュタインの相対性理論を書いています。昔読んだことがあるので、お勧めします。「続・アトム博士の相対性理論」というのもあります。

補足

本の紹介ありがとうございます。今度時間があったときにでも図書館とかで読んでみたいと思います。

回答No.1

juugoya

一般常識で考えてはいけません。
E=MC^2はE(エネルギー）はM（質量）とC（光速）の２乗の積に等しいということです。
このことからだけでも、光と質量に密接な関係があることがわかります。

補足

光がほかのことと密接な関係があるということはわかりました。が、やはり相対性理論が理解できません。この前ネットで検索してたときにたとえば時速80キロの車の正面から時速80キロの別の車が向かってきた場合、どちらか片方から見た相手の速度は160だが、もしこの車が光速だったら時速30万キロで通常の光の速度と変わらないと書いてあったのですがなぜでしょうか？