寅さんの相対論

　寅さん流相対論
寅さんは気の向くまま自由自在に生きたように見える人でした。が、実際はただそのような生き方なので周りを絶えず伺い自分の行動を時々確認する必要がありました。相対性も何か似ています。各人は自由なのですが、じぶんの今の状況を知るには相手を確認することが必要なのです。自分と相手との関係はどうかということです。「お互いに」近づきつつあるとか、「お互いに」離れつつあるとかが確認できるだけです。空間そのものが背景になってくれないのです。相手を背景にすることしか出来ません。相手という鏡にしか自分の姿は映らないのです。相対論が出来るまでは空間が背景になるので相手がいなくても自分の状況は目をつぶっていても確認できると思われていたのです。例えばスポ－ツカ－で発進するときは体がシ－トに押し付けられるので目をつぶっていても「自分は今加速しているな」ということがわかるのです。
ところがよく観察すると地球重力場でも同じことが起こるのです。シ－トに体を固定したまま車を地表面にたいして垂直に立てると「今加速を続けている」と思うでしょう。こうなると最初のアクセルをふかしての加速は本当に加速したのか？という疑問が出るのです。もしかしたら車の後ろに地球とは別の大きな星があってその重力によって体が引かれ、その結果体がシ－トに押し付けられたのかもしれないという解釈がでてきます。つまり重力場は加速度系を相対的なものに決め付けたのです。加速度系に対してさえも空間は背景になってくれませんでした。加速度系も相手を鏡として自分の状況を確認するしかないのです。相手がいないと自分のことは決められないのです。男も女も自分が男であるとか女であるとかは反対の性があるからきまるのです。どちらか片方だけなら意味を成さないのです。重力場の存在こそ一般相対論の発見の糸口だったのです。ニュ－トンは落ちるリンゴを見ました。アインシュタイン博士はリンゴの落ちる空間を見たのです。

汽車のうた

　汽車の歌
童謡に汽車というのがあります。歌詞の中に「～畑も飛ぶ飛ぶ家も飛ぶ～走れ～走れ～走れ～～」とあります。これこそ相対論の真髄です。実際は畑が飛ぶことは無いのですが飛ぶように見えるのです。今度は畑の立場からみると飛んでいるように見えるのは汽車の方です。ここで両者の意見が一致しました。「相手が飛んでいる」と。このようなことを「相対性がある」といいます。これを少し範囲を広げて電磁気現象にまで拡張したのが「特殊相対論」です。これは「光の速度」が畑の人も汽車の人も同じ値に観測するからです。両者の意見が一致するのです。「光の速度は３０万キロ毎秒である」と。どちらが動いているか決められないことがまたでてきたのです。
そしてついに一般相対性の登場です。これは等価原理というものが説明してくれます。山寺の釣鐘は重くまた簡単には動きません。この動かしにくさを「慣性質量」といいます。一方この鐘を重力場におくと重いので地面を抑えつけています。吊り下げてあるときは梁や柱を介して地面を押しています。この指標を「重力質量」といいます。この２つの指標は性質が異なりますが、常に一致します。ジキル博士とハイド氏のように１つのものに２つの名前をつけているのではありません。しかし、この２つはいつもピッタリ一致します。このことを等価原理と呼びます。このことは先ほどの畑や汽車の立場はもちろん発車しつつあり加速度状況にある汽車にも通じていえるのです。つまり任意の系で等価原理が成り立ちます。全員が「等価原理がなりたつ」ことを共通してまのあたりにするのです。こうして「任意の系が同等に観測される」という一般相対性が存在することが確認されたのです。

遠くはありません

　重力場は加速度系の天敵
重力場は加速度系につきまとう天敵です。逃げられません。
重力場は目の上のたんこぶです。重力場が存在するかぎり加速度系は相対的存在でしかありえません。加速度系は重力場に首根っこを押さえられて身動きできないのです。たった１つのことでそれも最後のさいごになって逆転されたのです。加速度系の絶対性が覆されたのは満塁逆転サヨナラホ－ムランでそれもツ－ストライクスリ－ボ－ルの最後の１球のようなものです。重力場の存在は加速度系の絶対性を抹殺し、全ての系を相対的存在に整列させたのです。その結果車が走ったり、飛行機が飛んだりすることは空間に対して運動していることではなくたとえば道端の電柱に対して自動車が近づくとか飛行場にたいして飛行機が接近するなどと、常に相手を意識することが必要になったのです。空間は運動の一里塚にはなりえないのです。
近くて遠きは田舎の道、遠くて近きは男女の仲と相対論です。

おさらい

　一般相対性のおさらい
加速度系では光の進路が曲がってみえます。また重力場でじっと動かない人も、やはり光の進路が重力により曲げられているのを観測します。これでは加速度系といっても本当に加速度運動していると言えるのでしょうか。この場を丸くおさめるには「誰が動いたのか決められない」とするしかないようです。これは「皆が同じ」ということにつながります。加速度系は全ての系の代表選手なので「全ての系は運動しているかどうか決まらない」ことになります。一般相対性はこうして確認されたのです。この結果「水星の近日点の移動」をはじめとするそれまでの物理学では説明の出来なかった自然現象に一般相対性理論が決着をつけたのです。一般相対論の成果を応用した身近な器械がカ－ナビです。人工衛星の時間の進み方を一般相対性理論で計算し、地上での時間の進み方に合わせた電波を送り距離の表示誤差をなくしているのです。

とうとう相対論

　とうとう相対論
この前は光の速度が、じっとしている人Ａさんも、動いている人Ｂさんも同じ値秒速３０万キロに測定されるということで「誰が動いていることになるのか決められない」から「相対的である」といいました。ただし、この時ＡさんとＢさんはお互いに「慣性系」という条件が必要でした。もしＡさんとＢさんが勝ってに動き回ると光の速度が同じにならないのです。そこでアインシュタイン博士は考えたのです。慣性系などという窮屈な条件をかぶせなくても自然界はもっと単純なはずであると。では勝ってな場合、つまり何の制限も無い状態で共通して観測できる現象はあるのでしょうか。実はそれが「光の進路の湾曲」なのです。光は直進すると思われていましたが太陽などの強力な重力場のそばでは空間そのものが湾曲しているのでその中を「直進」する光は曲がって見えるのです。図を見てください。星から出た光が重力場を通過するとき空間の曲がりに沿って湾曲します。ところで宇宙空間で超加速をするロケットがあり、その窓から光が差し込みます。ところがロケットの加速が巨大であるので光がロケットの中を横断する間にロケットは少し進みます。それで光は窓の反対側の内側に着く時は窓の位置より低いところに到達します。光は直進したのですがロケットの系から見ると光の方が湾曲して見えるのです。つまり加速度系での風景は重力場の風景と同じになるのです。この結果、ある「加速度系」はニセモノかも知れないといえるのです。こうして任意の系で共通して眺められる風景のあることが解かりました。これが一般相対論の根拠なのです。重力場を突破口として一般相対性理論が建設されました。どうぞ相対性理論の醍醐味をどうぞ。

いつかは相対論

　いつかは相対論
いえ、待たずに解かる相対論をどうぞ、いえ解からなくてもよいのです。どんなことかを知ってもらえればよいのです。この空間では、その人の運動状況に関係なく物理現象は同等に観測されるということです。例えば光の速度は止まっている人にも走っている人にも同じ値で計測されるのです。早く言えば誰が動いていて、誰が止まっていたかが決められないということです。

見えない鎖

　空間という見えない鎖
人間が生活しているこの空間は何もないようですが、とんでもないクセ者なんです。この空間のおかげで私たちは自由に空を飛びまわれないのです。空間は私たちを「慣性の法則」とやらでからめ取り、地表に縛りつけています。空間は頭ごなしに私たちを押さえつけ、ともすると谷底に突き落とそうとたくらんでその時期をにらんでいるのです。相対論はこの「見えない」空間についての議論なので捉えにくいとおもいますが、慣れればそうではなくなります。空間は例えば「手をうごかす」などの動作を邪魔することはありません。水のなかで手を動かそうとすると抵抗されますが、こんなことはありません。しかしながら、空間はもっと裏の裏で人間の生活を規制しているのです。空間の中に手という「物体」が存在すると空間を押しのけるので空間がゆがみ、地球の周りの空間はそのゆがみを元に戻すかのごとくして、手の周りの空間ごと地表方向に押し付けます。手は「慣性の法則」により周りの空間と一緒にいようとし続けるので空間ごと地表に押し付けらるのです。空間は見えない鎖です。

蛙を守ろう

　かえるの危機
今、日本の蛙、いや全世界の蛙に最大の危機が迫っています！ツボカビ病という病気が伝染し、へたをすると蛙が全滅する恐れがあるのです。もしそうなると食物を食い荒らす害虫が爆発的に増殖し、穀物相場なども大混乱する可能性があります。害虫駆除のため巨額の農薬を使用するため、これまた穀物の価格が高騰します。また散布された農薬は別の生物を死滅させ、予想できない農業の混乱を招くと思われます。そうなると世界大恐慌になる可能性を孕んでいます。日本の良識ある国民のみなさんがむやみに蛙の密輸などに手を貸さずにツボカビ病の蔓延を防止しなくてはなりません。自分で自分の首を絞めないようにしましょう。筑波山のガマも心配です。

物が落ちるロマン

物が落ちるとは
重力場でものが落ちるというのはどんなことでしょうか。地球を例にとってみます。図をご覧ください。地球は空間を押しのけて存在します。これは他の星でも同じです。空間と物質は共存できないのです。それで地球の周りの空間は曲がってしまいます。曲がるというより風船の中の空気のように圧縮された状態です。そこで実際には目に見えませんので解かりやすくするため「ストレス等圧線」を考えます。天気図で出てくる気圧の等圧線と同じです。この等圧線は最短になろうとする性質があります。しかし、リンゴなどが空間にあるとリンゴも等圧線を作るため少し長くなってしまいます。（②）の状態。そこで最短に成ろうとするためリンゴは邪魔になり「リンゴの所属する空間」が地球の方に押し寄せられるのです。リンゴだけでなく「空間ごと」であることに注意してください。実はこの図は断面図ですが、実際は「ストレス等圧面」です。この面は表面張力により最小面積になろうとしますので重力の源は表面張力ともいえます。シャボン玉もできた直後は真球ではなくてもすぐに真球になります。この真球になろうとすることが重力の源です。自然界は誰が言うとも無く最も効率的な配置になるのです。これを変分原理といいます。

犬も歩けば

　犬も歩けば棒に当たる
この時実際に動いたのはどちらでしょう。図をご覧ください。大きな犬が地球の自転速度と同じ速度で歩いています。地球にはこれまた大きな棒が刺さっていて地球の自転と共に犬の方に向かっていきます。犬は宇宙空間に対してはじっとしていて、ただ地球をランニングマシンよろしく足を動かしているだけです。犬にしてみれば「自分はその場で足踏みをしていただけ」と思うでしょうし、棒のほうは「犬が体当たりを喰らわした」と言うでしょう。このようにどちらが動いたかを決められないときに「犬と棒は相対的に接近した」と言います。