科学

特殊一般相対性理論とE=mc^2を勉強してわかりやすく解説してみた

コンビニで衝動買いしました。

アインシュタインに関することで私が知っているのは、相対性理論とE=mc^2です。

知っているというのは、内容を理解しているという意味ではなく、聞いたことがある、名称を知っている、という意味です。

全く内容を知らないというわけではないのですが、ほんの少しの内容で、それすら確信はありませんでした。

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相対性理論とE=mc^2の現時点での私の知識

相対性理論というのは、

光に近い速さで動くと時間の流れは遅くなる、というもの。

E=mc^2は、光の速度の自乗との積なので、少しの質量でも莫大なエネルギーが得られるというもの。

それは原爆の理論。

この程度のものです。しかし平均的な一般人なら、このくらいで普通だと思います。

確認、知識の補強のつもりで読みました。

相対性理論の内容の内訳

相対性理論には、一般と特殊があります。

それは知っていましたが、内容は知りませんでした。

特殊の方は、限定的な条件においてのみ考えるというものです。

一般になると、

見る対象や視点が加速していたり、重力の影響による時間の流れ方、空間の歪み、光の進み方の進み方の変化など、

これらについても考えるものです。とてもややこしい。

特殊相対性理論の内容を整理してみました。

限定的な条件というのは、私なりにまとめてみると、

加速のない視点(観測者)から見て、
等速直線運動している対象がどう見えるか

いや、まだ分かりにくいか…視点も対象も同条件なので、

等速直線運動の条件下、で良いでしょう。

その条件下で対象がどう見えるのかを扱うのが、特殊相対性理論です。

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光速はつねに不変

これが発端となります。

見る視点によって、
同じ時間で光の進む距離が違うように見えることがあり、
これは矛盾する、

このことの辻褄を合わせるためには、

視点によって、時間の流れ方が異なると考える必要がある、

絶対なのは光の速度であり、時間の流れや速度は相対的なものである。

相対性理論の命名は、これから来ています。

見る視点によって移動距離が違うという事象の補足は、慣性の法則の説明で見たことがあります。

動いている電車の中でボールを上に投げると、
電車は前に動いているのだから、
ボールが空中にある間、電車は進んで、
ボールが落ちる位置は、投げた位置から後ろになるのではないか、

この疑問に対して、慣性の法則で説明されます。

動いているものは動き続けるから、そうはならないということです。

同じ図を使って説明できるのですが、

電車の中でボールを投げた人間にとっては、ボールは上下運動に見えます。

一方、電車の外から見ている人間にとっては、ボールの動きは放物線状に見えます。

移動距離が長く見えるということです。

仮にボールの移動速度が光速だったとしたら、視点によって移動距離が違うことになり矛盾します。

この辻褄を合わせるため、実際そうなのですが、電車に乗っている人間の時間は、外から見ている人間の時間より遅く流れていると考えられます。

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相対性理論の実証

理論は実証、証明されなければ、仮説に過ぎません。

光の速度に関しては、観測により実証されています。

実証されていることをまとめてみます。

光速は一定

垂直方向からくる太陽光と、進行方向からくる太陽光の、それぞれの速度の差を比較した実験があります。

進行方向からくる光は、地球の公転運動の分だけ、相対的に速いと思われます。

しかし観測結果には、有意差が見られませんでした。

なぜそうなるのか、

辻褄を合わせるために、物体は進行方向に収縮する、という説が生まれました。

空間も相対的なものだということです。

時間は遅れる

これまで何度も検証実験が行われています。最新の実験としては、国際宇宙ステーションで行われています。

光速とは比較にならない遅さですが、高速で地球の周りを回っています。

考慮に入れる理論として、重力が弱まれば時間が速まる、というものがあります。

プラスマイナスして、理論と観測の数値が一致すれば、理論は実証されたといえます。

8年間で約0.1秒、時間の流れが遅れているという結果が出ました。

アインシュタインが原爆を作った?

プルトニウムやウランの原子核に中性子を照射すると、連鎖的な分裂反応を起こしエネルギーを放出します。

この現象に関わったのは別の学者です。

アインシュタインが関わったのは、どれだけのエネルギーが生まれるか、それをE=mc^2の方程式で計算できる、というだけの話です。

そもそもアインシュタインが発表した論文に、この方程式はありませんでした。

エネルギーLを放出する際、その物体の質量mはL÷光速vの自乗分減る、

物体の質量は、そのエネルギー量の大きさである、

彼はこう言いたかったのです。

式に表すなら、m=L/v^2

エネルギーLはE、光速vはcに書き直されましたが、意味は同じです。

この式をもって原爆が作られたというのは、誤解でしょう。

しかしアインシュタインは、時の大統領ルーズベルト宛に送った、原爆の開発を促す内容の手紙にサインしています。

ナチス・ドイツに先を越されたら大変なことになる、という理由で。

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