相対性理論が1900年代初頭に登場したとき、それは何世紀もの科学を覆し、物理学者に空間と時間の新しい理解を与えたのである。 アイザック・ニュートンは空間と時間を固定されたものとして見ていたが、特殊相対性理論と一般相対性理論が提供する新しい図式では、それらは流動的で可鍛性であった」

誰が相対性理論を考え出したのか

アルベルト・アインシュタイン。 彼は理論の最初の部分である特殊相対性理論を1905年にドイツの物理学雑誌『Annalen der Physik』に発表し、一般相対性理論はさらに10年間の困難な作業を経てようやく完成させました。

特殊相対性理論とは

この理論は2つの重要な概念に基づいている。

• 第一に、自然界は「特権的」参照枠を認めない。 物体が一定の速度で（つまり加速度なしで）直線的に動いている限り、物理法則は誰にとっても同じである。 これは、電車の窓から隣の電車を見ると、その電車が動いているように見えるのと同じことです。 しかし、それは電車が動いているのか、それとも自分が動いているのか、判断が難しいところです。 アインシュタインは、運動が完全に一様であれば、文字通り見分けることは不可能であると認識し、これを物理学の中心的な原理として特定しました。 5292>

この 2 つの定説から出発して、アインシュタインは、空間と時間が、科学者がそれまで思いもよらなかった方法で絡み合っていることを示したのです。 一連の思考実験を通して、アインシュタインは、特殊相対性理論の結果がしばしば直感に反し、驚くべきものでさえあることを実証しました。

たとえば、あなたがロケットで急上昇しているときに、同じだが動きの遅いロケットに乗った友人とすれ違うと、友人の時計があなたの時計よりもゆっくり動いているのがわかります（物理学者はこれを「時間拡張」と呼びます）。 また、自分のロケットが速くなれば、自分の質量もロケットの質量も増えます。 速くなればなるほど、ものは重くなり、ロケットは速くしようとするあなたの努力に抵抗するようになる。 アインシュタインは、質量を持つものは決して光速に到達できないことを示した。

特殊相対性理論のもうひとつの帰結は、物質とエネルギーが有名な方程式 E = mc² （E はエネルギー、m は質量、c2 は光の速度の掛け算）を介して交換可能であるということである。 光速は非常に大きな数字なので、わずかな質量でも非常に大きなエネルギーに変換することができるのである。 原爆や水爆が強力なのはそのためです。

一般相対性理論とは

基本的には、重力の理論です。 基本的な考え方は、物体を互いに引きつける目に見えない力ではなく、重力は空間の湾曲やゆがみであるということです。

たとえば、太陽は太陽系全体の空間をゆがめるほど巨大で、ゴムのシートの上に重いボールを置くとシートがゆがむのと同じようなものです。

このゆがみは、時間の測定にも影響を与えます。 私たちは、時間は一定の速度で刻々と過ぎていくと考えがちです。 しかし、重力は空間を伸縮させるのと同じように、時間を拡張させることもできるのです。 例えば、あなたの友人が山の頂上に登った場合、彼の時計の針はあなたの時計より早く進みますが、谷底にいる別の友人の時計の針は、それぞれの場所の重力の強さの違いにより遅く進みます。

相対性理論の「裏側」はどうなっているのか

特殊相対性理論は結局、ある参照枠での見え方と別の参照枠での見え方（時間や空間の伸び、質量の増加）を関連づける一連の方程式である。

一般相対性理論はもっと複雑です。 その「場の方程式」は、質量と空間の湾曲や時間の拡張の関係を記述するもので、通常、大学の大学院レベルの物理学のコースで教えられます。

特殊相対性理論と一般相対性理論のテスト

前世紀にわたって、多くの実験によって、特殊相対性理論と一般相対性理論の両方が有効であることが確認されました。 一般相対性理論の最初の主要なテストでは、1919年に天文学者が、星光が太陽を通過するときに遠くの星からの光の偏向を測定し、重力が実際に、空間を歪めるか湾曲することを証明しました。 飛行機が着陸した後に時計をチェックすると、旅客機に搭載された時計は地上の時計よりもほんの少し（100万分の1秒未満）遅く動いていることがわかりました。

この格差は、飛行機の速度（特殊相対性理論効果）と地球の重力場の中心からの距離（一般相対性理論効果）に起因しています。

2016年には、重力波（時空の織りなす微妙な波紋）が発見され、これも一般相対性理論を裏付けるものとなった。

相対性理論の実際

相対性理論の背後にある考え方は難解に見えるが、その理論は現代社会に大きな影響を及ぼしている。 また、GPS（全地球測位システム）衛星ネットワークは、特殊相対性理論と一般相対性理論の両方の微妙な影響を考慮する必要があります。

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