大学物理（相対性理論）

大学物理では、20世紀の有名な物理学者であるアルバート・アインシュタインが発表した一般相対性理論を学びます。

 

相対性理論とはどんな分野？

 

物理学の分野は古典論と量子論の2つに分けることができます。

 

身近な物に例えるならば、古典論はアナログ時計で量子論はデジタル時計のようなものです。

 

量子論は素粒子の状態は決まった値しか取ることができずに中途半端な状態は存在しません。

 

相対性理論はニュートン力学から始まる古典論に属する物理学の重要な考え方のひとつで、理学部以外に化学や工学の分野でも学ぶ重要な事項です。

 

相対性理論の基本的な考え方とは？

 

高校ではニュートン力学を中心とした古典物理学の基礎を学びます。

 

古典物理学では空間は常に均一で、時間の経過は常に一定であるとみなします。

 

これに対して相対性理論では重力や物体の運動などの影響を受けて空間には歪みが生じると考えます。

 

時間の進み方についても、空間の歪みに応じて時間の進む速さに違いが生じると考えられています。

 

空間に歪みが生じることや時間が経過する速度に違いが出るという考え方は、真空中を光が進む速さは常に一定であるという考え方(光速度不変の原理)に基づきます。

 

昔から光の進む速さは常に一定であることが知られています。

 

もしも光源が移動し続けていて移動距離に違いが生じたとしても光が到達するまでの時間に違いが生じない事は、実験的に確認されています。

 

移動距離が長くなったり短くなったりしているのに移動している光源から発せられる光が同時刻に到着する理由を説明するために、光が進む速さではなくて時間が経過する速さに違いが出るという考え方をすることができます。

 

静止している人から見れば、一定の速度で移動(運動)をしている人は時間の経過が遅れているといえます。

 

加速し続けている乗り物の中で、光源から加速の向きと直角に進む一直線に進むレーザー光線を静止した位置に居る観測者が横から見ると、光の航跡が曲がっているように見えます。

 

古典物理学的に考えると、地球などの天体によって生じる重力と物体の加速運動によって生じる加速度は同じです。

 

そのため天体などの質量が大きい物体によって生じる重力には、光の進む向きを曲げる作用があることが分かります。

 

光の航跡が曲がる理由は、重力によって空間に歪みが発生することが原因であると説明されます。

 

 

勉強方法のポイント

 

高校物理では物体の運動や重力の影響を、身近にある物で実験をすることができます。

 

これに対してアインシュタインが提唱した時間や空間の歪みの大きさは人間のスケールから見るとほんの僅かなので、普通に生活をしていても実感をすることはできません。

 

物理学は数式だけでなくて具体的に現象を理解することが大切なので、簡単な図を描いてイメージすると良いでしょう。

 

動画投稿サイトの科学系のチャンネルにアップされている無料動画を活用することもできます。

 

地球上で生活をしている人が時間や空間の歪みを実感することは難しいのですが、身の回りにある物も影響を受けています。

 

例えばスマホの地図アプリでGPS機能を利用すれば、現在位置を表示させることができます。

 

地球の周りを高速で運動するGPS衛星は僅かですが地上よりも時間の進み方が遅れるため、衛星に搭載されている原子時計に補正を加える必要があります。

 

スマホに表示された位置情報が実際よりも数mほどずれる場合がありますが、これはGPS衛星と地上における時間の進み方にズレが存在する証拠です。

 

このように身近に存在する物や現象に注目することは、現象を理解する助けになります。

 

まとめ

 

同じ古典物理学でも高校で学ぶニュートン力学とアインシュタインの相対性理論は考え方に大きな違いがあるため、理解しにくいと感じるかもしれません。

 

簡単な図や身近にある物を使って理解することが大切です。