「時間は誰にとっても同じ」という思い込み
前レッスンの量子力学が「小さな世界」の常識を覆したなら、相対性理論は「大きな世界」——速さと重力の世界の常識を覆しました。覆された常識とは、「時間と空間は、誰にとっても同じで絶対不変」という、私たちが疑いもしない前提です。アインシュタインは、これが間違いだと示しました。
光速から出発すると、時空が伸び縮みする
相対論の出発点は、意外なほどシンプルな事実です。光の速さは、誰から見ても同じ。走りながら測っても、止まって測っても、光速は変わりません。日常の感覚(走る電車から前に投げたボールは速く見える)とは違います。この一点を認めると、驚くべき結論が芋づる式に出てきます。
- 時間は伸び縮みする:速く動くものほど、時間の進み方が遅くなる
- 空間も伸び縮みする:速く動くものほど、進行方向の長さが縮む
- 「同時」は絶対ではない:ある人にとって同時の2つの出来事が、別の人には同時でないことがある
さらにアインシュタインは、重力を「時空のゆがみ」として捉え直しました(一般相対性理論)。重い天体の近くでは時空がゆがみ、時間の進み方さえ遅くなるのです。SFのようですが、これらはすべて実験と観測で確かめられています。
カーナビが証明する相対論
「そんな極端な話、日常に関係ないのでは?」——ところが、あなたは毎日その恩恵を受けています。GPS(衛星測位)です。
GPS衛星は高速で動き(時間が遅れる方向)、かつ地上より重力が弱い場所にいます(時間が速く進む方向)。この二つの効果で、衛星の時計は地上の時計とわずかにズレます。もしこのズレを相対論で補正しなければ、カーナビの位置は1日で数kmもずれて、まったく使い物になりません。カーナビが正確に道案内できることこそ、相対論が正しいことの日々の証明なのです。抽象的な理論が、あなたのスマホの中で働いています。
二つの理論と、その先
こうして20世紀物理は、極小の量子力学と、高速・重力の相対性理論という二本柱を得ました。面白いことに、この二つはまだ完全には統合されていません。両者を一つにまとめる「万物の理論」の探究は、現代物理の最前線であり、意識の難問と並ぶ「未解決の大問題」です。分からないことが残っていること自体が、科学の生きている証拠です。
ニュースで使う視点
「重力波の観測」「ブラックホールの撮影」といったニュースは、相対論の予言が次々と確かめられている物語です。これらを読むときは、「これは時空がゆがむ・伸び縮みするという相対論の話だ」という補助線を引くと、壮大なニュースが少し身近になります。次の最終レッスンでは、この物理を宇宙全体に当てはめる——宇宙論へ飛び出します。