落ち葉で相対論

落ち葉の相対論
貴方の自動車のフロントガラスに落ち葉が貼り付いています。風があるのでなかなか落ちません。周りは真っ暗で何も見えません。車の音や振動も高級車なので全く無いとします。今貴方の車は走っていますか。それとも止まって風を受けていますか。恐らく貴方は答えに窮するでしょう。ただ落ち葉とフロントガラスがお互いに押し合いをしているとだけ答えることが出来ます。そして風が無くて落ち葉に重さがあり車に膨大な加速能力があれば同じ状況を再現出来ます。

相対性のまとめ

特殊相対性との対比
しばらく一般相対性のことのみ続きましたので特殊相対性との比較をしてみたいと思います。特殊相対性は「任意の慣性系からみて光の速度が一定不変に観測されるので誰が運動状態にあるか決まらない。相互の相対的運動のみが観測できる」というものでした。図をご覧下さい。左側の部分でＡもＢも光の速度を同一の秒速３０万キロに測定するので光の伝播していく空間にたいしては運動したことになっていません。お互いの相対速度のみが確認できます。慣性系について相対性が成り立つのです。では一般相対性はどのように確認されるのでしょうか。右側をご覧下さい。無重力空間に浮いていたロケットが発進加速します。するとロケットの床がリンゴに当たります。一方地球重力場にロケットがありこの中でリンゴを自由に解放するとロケットの床の方に落下します。この２つのロケットの光景は区別できません。重力場が存在する限り動いたのはリンゴなのかロケットなのか決まらないのです。リンゴとロケットの動きは相対的なのです。鰹節削りや大根おろしと同じなのです。こうして加速度系も相対的になりこの世の全ての運動が相対的となりました。重力場の存在が加速度系の相対性を定着させ一般相対性の扉を開いたのです。

北極と赤道の相対性

北極と赤道での相対性
北極での加速は赤道での重力と同じようなものです。図をご覧ください。北極で電車が加速し、中の人が電車の側面に押し付けられます。（Ａ）です。この電車をその向きを変えずに赤道まで持ってきますとちょうど天空に向けて車体が立った状態になります。（Ｂ）です。この中で人は仰向けの状態で電車の側面を押さえています。このＡとＢは全く区別が出来ません。このためＡでも電車だけが動いていることにはならないので「電車も人も互いに押し合っている」とする「相対的現象」となるのです。加速度も相対的になりました。

押し合い相対論

貴方を押すのは貴方
貴方ひとりが電車に乗っています。電車が発進加速します。すると貴方は貴方の体重によって電車の壁から押されます。もし貴方の体重が０なら押されることはありません。シャボン玉をウチワで扇ぐように貴方の体は自由に飛び回るでしょう。他方、地球の重力場を見ます。貴方の体重はいつも地面を押さえつけています。貴方は何もしていないのにです。この２つは区別が出来ません。区別できないということは電車は動いていなかったかもしれないと言うことに成ります。そこでこの２つをまとめると「電車の発進加速は電車と体のどちらが動いているかが決まらない」と言うことに成ります。電車のなかで貴方と電車の壁がおしくら饅頭している様子は「双方とも相手に対する動きのみが決まる相対的な現象」と言うことになります。お互いに自分だけでは動いているか否かが決まらないのです。この世に男だけしかいないとすると「男」という言葉そのものは意味をうしないます。相対的なものです。

大根おろしで相対論

それぞれの言い分
大根おろしをおろし金で作るときを想像していただきたいのですが。このとき小さなテレビカメラを大根に附けて見ます。この時前後に行ったりきたりするように見えるのはおろし金です。大根はじっとしています。逆に今度はおろし金にテレビカメラをつけて見てみます。今度は前後に行ったり来たりするのは大根のほうです。ここでこの世の中に「大根」と「おろし金」だけしかないとします。すると「動いたのはどちらか」という質問には誰も応えられません。ですからこの時は「大根とおろし金はお互い両方動いた」と説明するしかないのです。これが相対的であるということです。加速度系も重力場の存在により相対的な存在になります。無重力場でロケットが発進加速して中のリンゴとロケットの床が衝突するのが見えます。又地球重力場で止まって立ててあるロケットの中でリンゴが自然落下して床と衝突するのが見えます。この２つは全く区別できないことがわかっています。このため動いたのはリンゴなのかロケットなのか誰も決めることが出来ません。このため、「リンゴもロケットもお互いに双方動いた」と説明するのが矛盾を生まないのです。このことを軸足にして一般相対論ができました。

ウィリアムテルと相対性

ウィリアムテルの相対論
オペラでも有名なウィリアムテルに登場願います。彼の放った矢は少し変わっていて、時間がたつにつれて速度が増大します。加速矢です。それが無重力空間にふわふわと浮いていたリンゴに命中し、貫通します。これだけを見るとなにか一方的に矢がリンゴに向かっていったと思われますが、物理学的には実はリンゴも全く同様に、矢に向かって加速していた事になるのです。なぜかと言いますと、地球などの真の重力場で地上に上に向けて矢を立てておき、それに向かってリンゴを静かに落とすと、リンゴが矢に突き刺さり、貫通します。これは宇宙空間での出来事と同じで、両者を区別することが出来ません。こうなると「動いたのはどちらか」ということになりとうとう『矢とリンゴはお互いに歩み寄り出会った』とするしかなくなるのです。矢の加速の絶対性はこうして崩壊しました。動いたのは「矢」なのか「リンゴ」なのかの区別をつけられなくなりました。つまりウィリアムテルの矢とリンゴはどちらかの「一方的な接近」ではなく両方とも同条件の「相対的な接近」を見せたことになります。加速系においてもこうして相対性が確認されるのです。この重力場の存在により矢は宇宙全体像に対する加速運動は確認できないことになり「矢はリンゴに対して○○加速度運動をしている」という証言が得られるのです。片道切符ではなく半路程キップを双方が買うのです。こうして「加速系の相対性を基盤とする一般相対論」の基盤が固まりました。

黄昏の相対論

日没に見る相対性
「日没は地球の自転がまのあたり」　太陽が地平線に隠れはじめると地球の自転が肉眼で確認できます。宇宙の営みが感じられます。さて、皆さんは天動説の方はおられないと思います。地球が大きすぎるのであたかも太陽が動いているような錯覚をおぼえますが、日没は地球のほうが動くために見られる現象です。ただ確かに地球が静止して太陽が地球の周りを回っている（天動説）としても日没は起こります。ですから相対的な現象なのです。この際、太陽系全体が回転などの運動をしていても日没には全く影響しません。あくまでも太陽と地球の相互関係のことだからです。

宇宙の没落

宇宙の没落
宇宙は相対論が出てくるまでは一国一城の立派なお屋敷でした。どこに何があるか、天空も地下もみんなすべてが知り尽くされていました。この中で犬や猫や小鳥達が飛びまわっても全て位置を確認することができて、動いているか否かが断言できたのです。ところが相対論が出てきて「このような屋敷は幻覚である」ということになりました。宇宙には物の位置を確認できるようなグラフ用紙は準備されていないのです。小鳥や犬達はホ－ムレスなのです。犬達の動きは小鳥や猫達の直接比較で決めるしかないのです。犬は「自分は小鳥に対して相対的に近くなる」などと常に行き先を指定しないと意味のある表現が出来なくなりました。犬単独では自分が動いているか否かわからないのです。国際宇宙ステ－ションも宇宙にぷかぷか浮いているように見えても地球に対しては猛烈な速度で運動しているともいえるのです。