テクノDJがみるアインシュタイン特殊相対性理論(1)

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Albert-Einstein

そこまで深くはまだ理解はしていませんが、アインシュタインの相対性理論はテクノのDJをする僕にとってはかなり想像力を掻き立てる理論であり、トラックを創作する際に息詰まったら、相対性理論の生い立ちを辿ることで想像力の欠如を補うことも出来ます。

相対性理論のその表面を少し理解するだけでも、その当時アインシュタインがどんだけぶっ飛んだ発想していたか、目に余り過ぎる程です。

科学を好きではない方にはかなりマニアックなテーマですが、現在の生活に欠かせないものにも相対性理論がかなり関わってるので、僕なりの視点でこの理論をなるべく分かりやすく書こうと思いました。この記事を通して少しでも科学好きの僕と共感出来る方がいればとても嬉しく思います。

特殊相対性理論

アインシュタインは1905年に特殊相対性理論、1915~1916年に一般相対性理論を発表しました。これらの理論で導きだされたのは「時間」や「空間」が条件により伸び縮みすること。
ただ聞いただけでは漠然とし過ぎててビックリするぐらい筒抜けていってしまう話ですが、順を追って考えると「なるほど!」と唸ってしまう理論です。

まずは特殊相対性理論の柱となる2つの理論、「相対性原理」と「光速度不変の原理」をみてみます。2つの理論が合わさると時間が伸び縮みするので期待して下さい。
右と左のターンテーブルが特殊条件下だったらピッチ合わすの大変なんじゃない〜〜!

相対性原理

ガリレオ・ガリレイが認識してニュートンが打ち立てた「相対性原理」ですが結論はこうです。

「お互いに等速度で運動しているものの上では全く同じ速度の法則が成り立つ」

例えば入り時間に遅刻しそうなDJが深夜タクシーを捕まえて首都高を使いAgeHaに向かったとします。道が空いていたのでしばらく一定の速度、時速80kmで走っていたが、時間が差し迫ってイライラしていたのでコンビニで買ったレッドブルを車内の天井ギリギリに上に何度も放り投げていたとします。この時、レッドブルが宙に浮いている間にもタクシーは前進するのでレッドブルだけ取り残されて後方に飛んでいって後ろの窓ガラスでスパークしそうにも思えます。が、実際は上に向かって投げていたレッドブルはちゃんと手元に落ちてきます。これはタクシーもDJもレッドブルも同じ速度で前進してageHaに向かっているので、レッドブルを投げる前も投げた後も一様にageHa方向に速度を保つ(慣性の法則)のでレッドブルは後方に飛んでいかないのです。

このタクシーの中で起こっている物体の運動はタクシーに乗っていない人にも同様に当てはまり、桜ヶ丘町で飲み過ぎて棒立ちで静止している酔っぱらいからみた地上の物体の運動も全く同じになります。タクシーに乗っているDJの投げたレッドブルも家にいる時に静止してる状態で投げたレッドブルもDJにとっては同じように手元に落ちてきます。また酔っぱらいが首都高を見上げてみたタクシーの中のDJとレッドブルは時速80kmでageHaに向かって通り過ぎていきます。DJとフリーズした酔っぱらいの「観測者」が観測した結果は違ったように見えますが、どちらの物体の運動に対しても物理法則は同一であり観測者の立場が違っても変わらないということになります。これを「ガリレイの相対性原理」といいます。つまり、それぞれの速度の違いとかは関係なくそれぞれの観測者に同じ基本法則が成り立つので、どちらが優位とか基準がないので、絶対性に対して相対性と呼ばれています。

当時、天動説(地球が中心でその他の天体が周りをまわっている)が世の中で支持されている中で、コペルニクスの地動説を支持していたガリレオ・ガリレイに対して人々は「もし地球が動いているのであれば物を落とした時に真下に落ちないだろう」と言われた時にガリレイはこう反論したそうです。「一定速度で航行している船の中でも止まっている船の中でも物を落とした時には同じ出来事が起こる。実際に船の外を見るまで船が動いているのは知り得ない。地球上でも船の中で起こっている事が同じように起こる訳で、地球が動いているかどうかは宇宙の他の場所を参照しないと確かめようがない。」

当時の世の中における状況で半端ない視野の広さです。正に宇宙レベルです。こんだけの視野の広さがあればフロアーでキーマンを即座に探してその人狙って選曲出来るにでしょうに。

そしてアインシュタインはこの相対性原理が光にも成り立つと考えました。一定速度で走っているタクシーの中でDJが小型のライトを真上に向けると、DJにとって光は同様にまっすぐ上に進んで行くと。

続いて光速度不変の法則へ。

光速度不変の原理

何冊か本を読んでみるとアインシュタインは16歳の時に空想をしたとか、白昼夢をみたとか、色々書かれていますが若かりし頃の疑問を執拗に突き詰めた結果、光速度一定に考えに辿り着いたと言われてます。

光速は秒速30万km(正確には29万9792.458km)です。

彼は空想でこの秒速30万kmと同じ速度で横並びに並んでめっちゃ走ったら果たして光は止まって見えるのか?とか、自分の顔の前に鏡を持ってこれまた秒速30万kmでめっちゃ走った時に果たして目の前の鏡には自分の姿が映るのか?(鏡に自分の姿が映るにはまず自分の顔に当たって反射した光が鏡に届き、その光がまた鏡に反射して自分の目に光が届いた時に初めて自分の顔を認識します。そのため自分の顔に光が反射した時点で光と同じ速度で走ったら反射した光がそのまま顔から出られず止まってしまい鏡まで届かず到達出来ないのか?そのため自分の姿は映らないのか?)、しかし果たしてそんなことは本当に起こるのか?と疑問を抱いたそうです。

頭文字Dで考えてみると藤原拓海がハチロクで時速100kmで峠を攻めている時に、高橋涼介のRX-7が競って同じ時速100kmで横に並んだ場合、お互い止まって見えます(時速100km-時速100k=時速0kmなので、そりゃ普通に考えて、走っているけど止まって見えるのは私でも簡単に理解出来ます)。アインシュタインはこの「常識」が光の速度になった時に同じ様に起こりえるのか?空想して、白昼夢までみて思考を巡らせていたそうです。光速のことに関して16歳頃から四六時中考えているあたりから、彼のぶっ飛び度が垣間見れますね。普通は考えないです。そしてアインシュタインは光が止まって見える考えを受け入れませんでした。

光が一定速度の秒速30万kmで進むことはジェームス・マックスウェルという物理学者(世界初のカラー写真の作成に成功した事でも知られている人です)が理論的な計算で既に導きだしていました。計算によって光の速さは常に一定である「定数」としてはじき出されていました。ちなみに光の正体は「電磁波」です。最初知ったときはそうなの〜〜ってビックリしました。良く知る電気と磁気なんです、光は。冬場バチってなる静電気、いわゆる「電場」と磁石で釘などを引き寄せる「磁場」で出来ているのです。これ僕的には結構衝撃的でしたがいかがでしょう?電気と磁気はお互いに影響し合います。単三電池の+−に1本の銅線をちょっと大きめな輪っか状にして繋げたものに方位磁石を近づけると反応します。銅線に電流が流れていてその周りに磁気を発生させるためです。電流の進行方向に対して時計回りに磁場が発生し方位磁石のN極が磁場と同じ向きを指します。また、豆電球に銅線を同じく輪っか状に繋げ途中の銅線の一部をコイル状にしたものに磁石を近づけると磁石の周囲に電場が発生し銅線に電流が流れ豆電球は光ります。つまり別物と思われていた「電場」と「磁場」が互いに影響をしていることが分かったのです。電流が流れるとそれに巻き付くように磁場が発生そしてそれにさらに巻き付くように電場が発生、、電場→磁場→電場→磁場→電場→磁場→電場→磁場、、、(無限ループ)、、、と連鎖的に波のように進んでいきます(マックスウェルはこれを電磁波と名付けました)。電場と磁場が時速10億8000万kmで進んだ時、私たちはそれの電磁波の一形態である「光」として認識します。実は当時、光の速さは別の観測方法で大体秒速30万kmと測定されていました。マックスウェルは電磁波の速さを理論的な計算ではじき出したところなんと秒速30万kmとなり、「あれ、これこのあいだ言っていた光の観測で出た速さと一緒じゃね。まさか。電磁波ってイコール光?!?!うあ〜〜〜一致したから一緒でまちがいないじゃ〜〜〜ん。」と叫んだか定かでないですが電磁波=光と結論づけました。素晴らしいです。

話はもとに戻りますが、マックスウェルは光速は定数なので常に一定であると示しました。つまり静止していても時速100kmのハチロクに乗っていても遅刻しそうなタクシー時速80kmでもどんなに物体が動いて光を放っていも常に秒速30万kmになるのです。前例の走っている藤原のハチロクで前方のライトをつけても光の速さは秒速30万100kmではなく秒速30万km、遅刻しそうなタクシーでパッシングをしたライトの光も秒速30万80kmではなく秒速30万kmになります。さらに桜ヶ丘町でフリーズした酔っぱらいが夜中、時速1kmで車に突っ込んでいって最後にみる光も30万1kmではなく30万kmです。つまり光源の運動や観測者の運動の状態に関わらず光は必ず秒速30万kmということです。

アインシュタインは先に挙げた頭文字Dの例のように物体が動くことによって速さが単純に引き算(また速度の足し算)出来るという「ガリレイの相対性原理」と光速は常に一定の秒速30万kmというマックスウェルの電磁気学から導かれた結論「光速度不変の原理」の矛盾にブチ当たります。

ここからこの矛盾を解消すべく考察を重ね、まさに「閃光のひらめき」で私たちの常識を打ち破ってくれます。次回はその常識を打ち破った考察をみてみたいと思います。

テクノDJがみるアインシュタイン特殊相対性理論(2)

※参考文献、メディア

  • アインシュタインの世界〜天才物理学者に関する60の疑問〜 平井正則 監修 三品隆司+studioHETERO編 PHP研究所
  • GRAPHIC SCIENCE MAGAZINE Newton〜2011/12 光速C、2012/03 タイムトラベル〜 株式会社 ニュートンプレス
  • National Geographic Channel, Discovery Channel
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