アルバートアインシュタインは多くのことで有名でしたが、彼の最大の発案は相対性理論です。それは私たちの空間と時間の理解を永遠に変えました。
相対性理論とは何ですか？簡単に言えば、物理法則はどこでも同じであるという考えです。私たち地球上にいる私たちは、宇宙のはるか彼方にいる誰かと同じ光と重力の法則に従います。
物理学の普遍性は、歴史が地方であることを意味します。イベントのタイミングと間隔は、視聴者によって異なります。私たちにとって何百万年というのは、高速ロケットで飛んでいる人やブラックホールに落ちる人の瞬きかもしれません。
それはすべて相対的です。
特別な相対性理論
アインシュタインの理論は、特殊相対論と一般相対論に分けられます。
特別な相対性が最初に来ました、そしてそれは誰にとっても一定である光の速度に基づいています。それは十分に単純に思えるかもしれませんが、それは広範囲にわたる結果をもたらします。
アインシュタインは、地球が太陽の周りを揺れ動いても光速が変化しないことを実験的証拠が示した後、1905年にこの結論に達しました。
他のほとんどの速度は観察者が移動している方向に依存するため、この結果は物理学者には驚くべきものでした。線路沿いに車を運転すると、到着する列車は、方向を変えて同じ方向に進んだ場合よりもはるかに速く動いているように見えます。
アインシュタインは、すべての観測者は、彼らが移動している速度と方向に関係なく、毎秒186,000マイルと光の速度を測定すると述べています。
この格言はコメディアンのスティーブンライトに尋ねました。「あなたが光速で移動している宇宙船にいて、ヘッドライトをオンにすると、何か起こりますか？」
答えは、ヘッドライトは正常に点灯しますが、宇宙船内の誰かの視点からのみです。船が飛んでいくのを見て外に立っている人にとって、ヘッドライトは点灯していないように見えます。光は出ますが、宇宙船と同じ速度で移動しています。
これらの矛盾したバージョンは、定規と時計-時間と空間をマークするもの-が異なるオブザーバーで同じではないために発生します。アインシュタインが言ったように光の速度を一定に保つ場合、時間と空間は絶対的ではありません。彼らは主観的でなければなりません。
たとえば、光速99.99％で移動する長さ100フィートの宇宙船は、静止している観測者には1フィートの長さで見えますが、機内では通常の長さのままです。
おそらくもっと奇妙なことですが、時間の経過は遅くなるほど遅くなります。双子が高速宇宙船で遠くの星に乗って戻ってきた場合、彼女は地球に留まった妹よりも若いです。
質量も速度に依存します。オブジェクトの動きが速いほど、オブジェクトの質量は大きくなります。実際、質量が無限に大きくなるため、宇宙船は光速の100％に到達できません。
この質量と速度の関係は、多くの場合、質量とエネルギーの関係として表されます。E= mc ^ 2。ここで、Eはエネルギー、mは質量、cは光の速度です。
一般相対性理論
アインシュタインは、私たちの時間と空間の理解を混乱させることはありませんでした。彼は加速を含めることによって理論を一般化し続け、これが時間と空間の形を歪めていることを発見しました。
上記の例に固執するために、スラスタを発射することによって宇宙船が加速することを想像してください。搭載されているものは、まるで地球にいるかのように地面に張り付きます。アインシュタインは、私たちが重力と呼ぶ力は加速している船にいることと区別がつかないと主張しました。
これ自体はそれほど革新的ではありませんでしたが、アインシュタインが複雑な数学を解いたとき（10年かかった）、時空が巨大な物体の近くで曲がっていることを発見しました。この曲率は、重力として私たちが経験するものです。
一般相対性理論の湾曲した幾何学を描くことは困難ですが、時空を一種の布と考えると、巨大な物体が周囲の布を伸ばし、近くを通過するものはもはや直線に追従しなくなります。
一般相対性方程式は多くの現象を予測しますが、その多くは確認されています。
- 巨大な物体の周りの光の曲がり（重力レンズ効果）
- 惑星水星の軌道のゆっくりとした進化（近日点の歳差運動）
- 回転体の周りの時空のフレームドラッグ
- 重力の引きを逃げる光の弱化（重力赤方偏移）
- 宇宙のスマッシュアップによって引き起こされる重力波（時空の生地の波紋）
- 光を含むすべてを閉じ込めるブラックホールの存在
ブラックホール周辺の時空のゆがみは、他のどの場所よりも強くなります。宇宙飛行の双子がブラックホールに落ちた場合、彼女はスパゲッティのように伸ばされます。
彼女にとって幸運なことに、それはすべて数秒で終わります。しかし、地球上の彼女の妹はそれが終わるのを見ることは決してないでしょう-彼女の貧しい妹が宇宙の時代にわたってブラックホールに向かって徐々にインチングするのを見てください。
この記事は、2019年7月2日、Live Science寄稿者Tim Childersによって更新されました。
