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自然科学教室 第8回 「アインシュタインが考えたこと」
前回8目の講義ではいよいよアインシュタインの相対性理論が出てきました。

19世紀前半まで宇宙の構造のすべてを解き明かす最終的な科学理論だと思われていたニュートン力学…

しかし、その力学をもってしても宇宙の構造を解き明かすには至りませんでした。
①時間と空間は不変で絶対的なものであるという前提だが、必ずしもそうではない
②宇宙に存在する媒質の解明ができない。(光は宇宙を満たす媒質「仮名:エーテル」を通っても速度差を生じず秒速30万kmである。)

そんな宇宙の研究に波紋を及ぼしたのは無名の青年アインシュタインでした。
1905年に彼の提唱した「特殊相対性理論」では、ニュートン力学の相対性原理を確認するとともに、「光の速さはいつも同じである」という「光速度不変原理」を掲げました。エーテル仮説と観測結果のつじつま合わせでは無く、実験結果(マイケルソンとモーリーの実験)を素直にそのまま受け入れました。

光は真空中を秒速30万kmというたった一つの定まった速度で飛び、差を生じない。

これを受け入れると「同時刻」という事が意味を持たなくなり、観測者個々において固有の時間を持つ事になります。

アインシュタインによると光速は時間や距離から二次的に求められるものではなく、絶対不変のものであり、時間や距離のほうが計算によって求められる二次的な量となります。

つまり、「どの慣性系にいる観測者にも高速が一定に見えるようにそれぞれの時間の歩みや空間の長さが変化する、それが宇宙の本質だ」という事です。これらは実験によって確かめられ、今では明確に認められています。

さらに特殊相対性理論の重要な結論の1つに「質量とエネルギーの同等性」があげられ、
「運動する物体の質量は高速に近づけば近づくほど大きくなり、高速に達すると物体の質量は無限大になってしまい、物体の運動は高速を超える事はありえません」つまり、物体の持つエネルギーが質量に変換される(!?)という事です。
この驚くべき結論を表す式が有名なE=mc2です。
つまり条件さえ整えば、エネルギー→質量に、質量→エネルギーに変換される事を示し、当時の放射能の謎解きにすぐに役立ちました。

また、特殊相対性理論は「なんの力も働かない慣性系」という極めて特殊な条件のもとでだけ通用するものであったため、アインシュタインは宇宙のどこであっても通用するように重力を組み込んだ相対性理論=「一般相対性理論」(1916年)を提唱しました。

時間と空間の概念にさらに手を加えるために曲がった空間を扱う「リーマン幾何学」を物理学に導入したのです。

この理論によれば、「物質が存在するとその影響でまわりの空間や時間が変化する」と言います。
時間が遅れたり、空間が曲がったり、逆に空間や時間の変化は物質の運動の仕方を決めます。これが重力だというのです。

また、アインシュタインは一般相対性理論を確立するにあたって、「物体の持つ慣性質量と重力質量は等しい」という「等価原理」を提起しました。
この原理にもとづけば、重力を「時空の曲がり」という場として定義する事ができます。
太陽のまわりの空間の曲がりや「重力レンズ効果」、「水星の近日点移動」などとしても確かめられ、「ブラックホール」や「重力波」の探求も進められています。
(講義内容抜粋終わり)

講義中、牧野先生が余談で話されていましたが、太陽の寿命100億年もE=mc2の式から求められたという話に、「そこと繋がるかぁ」と思いましたが、一つの事が分かればそれに関連する多くの事の解明に役立つんだなという事に凄い!の言葉しか出ません。

SF漫画や浦島太郎のおとぎ話に出てくる竜宮城の中と外の世界との時間差などと繋がってる感じで面白いなぁと平凡な事を考えながら講義を聞いておりましたが、フィクションでは無く、こういう自然法則に則った世界に生きている事をしっかりと認識して科学を捉えていかないといけないなぁと思った講義でした。
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[2017/04/01 16:34] | 自然科学教室 |
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