相対性理論(次元)


Study

次元

  • 次元の種類(空間)
    0次元:点
    1次元:線
    2次元:平面
    3次元:立体
  • バーコード
    • 1次元のバーコードと、2次元のQRコード
  • 現実世界
    • 空間的な3つの次元と、時間的な1つの次元→計4次元の世界
    • 時間の次元が分かる例
      • 同じ待ち合わせ場所(3次元的に同じ位置)でも、時間が違ったら会えない(4次元的には違う)
  • 実際にはもっと大きな次元かもしれない
    • 我々の常識だと、3次元もしくは時間を加えた4次元だと思う
      • アインシュタインはこれを4次元時空と呼んだ
    • 5次元時空
      • 力の統一を説明するには、5次元時空が利用できるとされている
      • たとえば、電気と磁力は電磁力で統一されているが他の力(重力)とかも

狭い世界の人のお話(プラトンのイデア論)

  • プラトンの「国家」という本の中の「洞窟の比喩」
    • イデア(真実の知)を探そうっていう哲学

洞窟の比喩

  • あるとこに洞窟があって、そこで暮らしている囚人がいる
  • 囚人たちは生まれたときからずっと、囚人によって壁にしばりつけられている
  • 炎の明かりによって出来る、壁にうつった影しか見る事のできない囚人達は3次元なんて想像も出来ない
  • それを見てなんて狭い考え方なんだと思う囚人がいる  
  • しかし、我々がその囚人側であるように、もっと次元の高い人達から見ると、3次元空間しか知らない我々をなんて狭い考え方なんだと思うかもしれない
    • そんな事ありえないとは言い切れない、その囚人と同じ立場なのかも知れないから
  • この様に、自分達の分かる世界と比較する事によって、自分達の常識が間違っているんじゃないかと考えるというのはとても大事
    • 実感出来ることや常識にとらわれていては真実が見えないかもしれない
    • ガリレオの質量は落ちる加速度に関係ない事、地動説なんかが良い例

低次元との比較

  • そうやって低いほうの次元と比較して考える
    • ユークリッドの「原論」で、色んな次元の定義がされている
      1次元の線を切ったら、その切り口は0次元の点
      2次元の平面を切ったら、その切り口は1次元の線
      3次元の立体を切ったら、その切り口は2次元の平面
      4次元の??を切ったら、その切り口は3次元の立体←これは想像できないけどそうかもしれない
    • 脱出の話
      1次元の線上で挟まれた場合も、2次元で逃げられる
      2次元の平面状で囲まれた場合も、3次元で逃げられる
      3次元の立体状に閉じ込められた場合も、4次元で逃げられるかもしれない
       
    • 万有引力の説明
      • これも、低次元からの比較でなんで引っ張る力が生まれるかが分かる(後半で説明)

相対性理論(Theory of Relativity)

  • アインシュタインの創始した理論
    • 1905年:特殊相対性理論
      • 相対的に等速運動する座標系(慣性系)の間で物理学の法則が不変である法則
    • 1916年:一般相対性理論
      • 加速度運動も含めた一般的な法則

特殊相対性理論(Special Relativity)

  • 「相対性原理」(ガリレオ)と「光速不変の原理」(ローレンツ)の両方を満たすような理論が欲しかった
    • 相対性原理
      • 動いてる人や止まってる人によって、同じ動きが違って(相対的に)見える
      • 例)電車の中で止まってる人も、外から見ると電車の速度で動いて見える
    • 光速不変の原理
      • どんな立場の人でも、光の速度は同じ30万km/秒
      • 走ってる電車の中で光ると、光は外から見ても前方と後方に同じ光速で動いて見える
  • アインシュタインは、大前提として空間次元や時間次元が決まっていない(絶対的でない)相対的であるとした
    • つまり、動くとその次元(長さ・大きさや時間、質量だって)が変わるという事。
    • 「光の速度で進むと、時間の進み方が遅くなる」
      • 光の速度に近いロケットで光が進んでるのを見ると止まって見えるくらい遅く感じる(高速道路で他の走ってる車を見るのと同じ)
      • しかし、速く動くと時間の進み方が遅くなる、つまりほんのちょっとしか時間がたってない事と同じになる
      • そうすると、(速さ)=(キョリ)÷(時間)で時間が小さい数字だと速さは計算すると結局は光速になる
  • 結論
    • 光速より速くはなれない
    • 時空間は速度が変わるとゆがむ
      • 光速になろうとすると重さが増えて動きにくくなって光速以上にはなれない
  • エネルギーが増えると質量が増す
  • 速くなると時間が遅く進む
    • タイムマシンの原理
    • 速くなると長さが短くなる(キョリ)=(速さ)×(時間)で時間が短くなるから
  • 具体的な実験
    • 想像上だけでなくて、実際に実験で確かめられている。
      • すごく速い航空機に乗せた原子時計に生じるわずかなズレ
    • ただ、特殊相対性理論はあくまで慣性系なので、現実世界で考えるのは一般相対性理論
      • 現実には重力によって加速度がある  

一般相対性理論(General Relativity)

  • 加速度系(重力とか)を含めた環境でも説明できる理論
    • つまり現実世界により近づいた環境
    • この理論はニュートンの力学を全面的に書き換えるもの。  
  • 特殊相対性理論と同じで時空間、質量に歪みが起こる
    • 光は重力によって曲げられる
      • エレベーターの中で右から光に光が動くと、外から見るとエレベーターと一緒に光が下がって見える
  • 具体例
    • 重力(万有引力)
      • 4次元空間の曲がり
      • 重さがあると空間がヘコんで、ヘコんだところに転がる
      • ベッドにボーリングの玉をいれると凹んで、上から見ると2次元的にまわりが引っ張られるように見える
      • 万有引力が重さとキョリに関係しているのもこれで説明が付く
    • ブラックホール
      • 限られた空間に大きな質量が集中した例
      • とてつもなく重いとすごいヘコんですごい転がりやすい(引っ張られる)
    • GPS*1
      • 衛星からの信号を届いたときにちゃんとズレを直す(補正)
      • ズレが運動する衛星とか相対性理論の計算が使われている
      • もし衛星の時計が1/10000秒ずれると、光速の1/10000の30kmも位置がずれちゃう

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2012-01-21
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*1 Global Positioning System