長寿の秘訣は光速で走ること!?~特殊相対性理論~

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ロケットの中では時間が遅い

こんな話を聞いたことがあるだろうか?
「ロケットやスペースシャトルの中では時間の進みが遅い」
実はこれは事実で、実際にスペースシャトルなどの中に設置した時計は地上にある時計よりも針が進むのが遅いことが確認されている。

では、なんでそのようなことが起こるのだろうか?
感覚でわかるようにできるだけかみ砕いてかの天才アインシュタインが提唱した特殊相対性理論を交えて説明してみようと思う。

ただ、感覚的にわかるようにしたからこそ実際の理論や計算と少し齟齬があることは了承してほしい。

前提知識

まず、本題に入る前に2つの決まりごとについて説明する。
ここは、感覚に反することがあるかもしれないけど事実であって、自身の常識を捨ててこういうものだと納得しないと始まらないので、無理やり納得して。

  • 光速度不変の原理

光の速度(=光速)が誰からみても同じ速度であるという原理。
実はこれって感覚的に理解できない現象で、止まってる人からも乗り物に乗っている人からも光が同じ速度に見える。
なんなら、光の速度で移動している人からみても光は光速に見える。
感覚的に不思議なことだけど、マイケルソン・モーリーさんが実験によって確かめているので、実際そうであると受け入れるしかない。

  • 相対性原理

全ての慣性座標系が等価であるという原理。
平たく言うと、物理法則(今回の例でいうと速度の式)が誰からみても同じように適用できるよっていう原理。

まず、不思議体験

まず、下のような光の粒を出す懐中電灯を考える。

そして、その懐中電灯を四角い箱の中に入れて観測者として男の人を立たせよう。

次に同じような箱を作って女の人を立たせる。
今度は光速の約85%の速さで箱を右に動かす。

そして、男の人が乗った箱と女の人が乗った箱を横に並べてみよう。

そう。気づいた?実は光の速さが違う。
でもこれは事実で合っている。
実際に上で説明した二つの原理を使って説明していこう。

理論的な説明

光速は実際は3億[m/s]というとてつもない速さで進んでいる(車が20[m/s]くらい)。
ただ、それだと説明がしにくいのでいったん光速を便宜上1[m/s]として考える。

上の図から僕たち、つまり箱の外の人から見ると光はどちらも同じ距離(赤い線)を進んでいることがわかる。(光速度不変の原理)
でも、女の人から見ると光は0.5m(緑の線)しか進んでないように見えている

そこで、相対性原理。
女の人から見ても速さの式は成り立っているはず。

光速度不変の原理から光の速さ自体は変わっていないから距離が半分になると時間は同じく半分になる。
つまり、女の人からすると半分の時間しかたっていないことになる。

このように、光速に近い速度で動いている人が感じる時間は静止している人よりも遅い。

まとめ

ロケットやスペースシャトルの中で時間が遅くすすむのは、光速に近い速度で動いているからだった。

実はもっと深く掘り進むとローレンツ収縮という現象が理解できる。
光速に近い速度で動いている物体ほど縮んで見えるという現象だ。

これらの現象は実は僕たちの身の回りでも起こっている。ただ、僕たちが暮らしている中で出せる速度は光速よりもずっとずっと小さく無視できるほど。
光って意外とありふれてるけど不思議なもの。

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