光速度不変の原理をその代表とする特殊相対論により、物質はその質量に光の速度の２乗をかけたエネルギに換算しうることがわかり、原爆製造の基礎理論となりました。それはさておき、ここでは相対論の見透しをよくするポイントを提供するものですから、「光速度不変の原理が、任意の慣性系で観測される。このことは任意の慣性系で物理現象が同等に観測されていることの１断面である」云うことを強調いたします。このようにして、見透しを浴してください。
光速度不変の原理はそれまでの物理の常識をくつがえしました。イギリスの物理学者、ロ－レンツは「ロ－レンツ収縮」なるものを提案しました。これは、「物体は、その進行方向に、物指しもろとも縮む」というものです。物指しも縮むのですべて不変に見えるというアイデアです。しかし、アインシュタインは次のように解釈しました。任意の慣性系で光速度不変の原理がみられることは任意の慣性系で物理現象が同等に観測されていることの１断面である。実は任意の慣性系で、物理現象は同等に観測される。電磁気現象も熱力学現象も等しく観測されている。
特殊相対論は、光の伝達物質の検証をきっかけとして誕生しました。以前、光は、太陽から、真空の宇宙を通過して地上に届くが、何か媒体があるに違いないと考えられました。光は波動ですから、水が波を伝達するように、水に相当する何かが、宇宙に充満しているはずだとかんがえられました。しかし、光はすごく速いので、その物質はとてつもなく硬いことが要求されます。しかし現実にはとても奇妙です。それで、アメリカの物理学者、マイケルソンとモ－レ－は地球の公転速度を利用して、その物質、エ－テルといいますが、その検出をしようとしました。１点から出た光を公転方向とその直角方向に分離して一定の距離を往復させまた１点に集めました。直角方向に出た光はエ－テルの中を流されながら進むので、公転方向の光より長い距離を進むことになります。したがって遅れます。すると波長が異なり、合成すると干渉縞を作るとおもわれました。しかし、縞はできるどころか、光の速度はどの方向にも一定不変の速度であることがわかりました。
失礼しました。原理は1つとするには2つ以上は間違いとすべきでした。特殊相対論について書きます。任意の慣性系で物理現象は同等に観測されるというのがこの理論です。今までの本では、光速度不変の原理と特殊相対性原理の２つを提示してありますが、私は、「任意の慣性系で光速度不変の原理が観測される。このことは任意の慣性系で物理現象は同等に観測されていることの１つの側面である」と表現します。圧縮するのです。こうしないとわからないのです。
ここでガリレイの相対論を紹介します。この理論は、地上のごく狭い範囲での慣性系つまり、電車の発車時のような力のかかる状態でない場合に成り立つ力学の範囲で成り立つりろんです。「慣性系では力学現象は同等に観測される」というものです。地上でじっと立っている人と、一定の速度でまっすぐ走る電車の中の人は互いに慣性系です。地上にじっと立っている人は静かに手に持っていたりんごを離すと、それは、人に対して、まっすぐ落ちるように見えます。また電車の中の人が同じようにすると、やはりりんごはその人にたいして、まっすぐ落ちます。電車のなかのことを地上のひとが見たら、りんごは放物線を描きながら落下しますが、電車の中の人は「真っ直ぐ落ちる」と主張します。両方とも正しいのです。このように相対性が成り立ちます。異なる２つの立場の人がともに同じ主張をします。これが相対性です。
相対論、それも一般相対論のメッセ－ジは「ありとあらゆる立場は物理学的に平等である」とうことです。この仮定の下に議論を進展させると水星の近日点の移動やカ－ナビの原理の説明ができるようになります。それゆえ一般相対論は正しいと言うことにしよう、となりました。ある仮説をたてて、その仮説を使って今まで説明のつかなかったことを解決できたので、少なくとも、その範囲においてはただしいとするのが妥当でしょう。相対論が科学としての立場を確保するには、数学的モデルの存在が必要です。そのモデルがテンソル構造です。物理現象をテンソルで記述しておくと任意の座標変換でその形式を不変に保ちます。それゆえ、この物理空間はテンソル構造をしていることにしようとなりました。等価原理がありとあらゆる場面で観察されるので、これは任意の系で物理法則が同等に見られることの１つの断面であると洞察したアインシュタイン博士のすごさは図り知ることができません。テンソルについては「たて成分の変化を横成分の変化に影響させることができる記述量」としておきます。ベクトルより高度な変換を記述でき、たとえば、夕日を浴びて影を作る電柱の、その影の状況を記述できます。縦横に広がる影の様子はベクトルでは表現できません。また、蜘蛛の巣をどこか１カ所引っ張った時の変形の様子なども記述できます。それで、この空間は伸び縮みするなどという表現が出てきます。これは、現実の物理空間がテンソルで記述できるとの考えからでたものです。