相対性理論　1900年頃

アインシュタインの相対性理論は、
難しくて常人には理解できないと思われがちだが、
そんなことはない。
発想を知ってしまえば、非常に単純なものだ。

まずは、相対性理論誕生の背景から説明しよう。

そもそも、アインシュタインの時代に、
「マイケルソン・モーリーの実験」
という有名な実験があったのだが、
この実験結果があまりに不可思議であったため、
物理学はこの結果を説明するための
新しい理論を構築する必要性に迫られていた。

その不可思議な実験結果とは何か……。

それは、「地上のどの方向から観測しても光の速度は一定である！」
という衝撃の実験結果であった。
なぜ衝撃的かというと、
地球は、地上からだと止まっているように見えるが、
実際には、宇宙空間をものすごいスピードで移動、
そして回転しているのである。
それにもかかわらず、
どの方向から観測しても、光の速度は変化しなかったからだ。

それはおかしい。

たとえば、

　　車(時速 50km)　　　　　　　Ａ君(時速 5km)
　−−−−−−−−→　　　　←−−−−−−

のようなとき、
Ａ君は、車の進行方向とは逆に運動しているのだから、
「Ａ君から見た車の速度」は、「50 + 5 = 時速 55km」となる。

だったら、

　　光(秒速 30万km)　　　　　　Ａ君(秒速 10万km)
　−−−−−−−−→　　　　←−−−−−−

　　　　　　　　　　Ｂ君（秒速 0km)

の場合は、

・運動しているＡ君からみたら、光は「30万 + 10万 = 秒速 40万km」
・静止しているＢ君からみたら、光は「30万 + 0 = 秒速 30万km」

となるはずだ。

でも、「マイケルソン・モーリーの実験」によれば、そうはならない。

「マイケルソン・モーリーの実験」の結果が示している事実は、
「観測者の運動に関係なく、光の速度は一定である」
ということであり、
つまり、上図の場合では、Ａ君から見ても、Ｂ君から見ても、
光の速度は、「秒速 30万km」と同じということになる。

これは、「矛盾」だ。

矛盾があったときはどうすればいいか？

簡単だ。
矛盾が起きないように、既存の方程式を書き換えちゃえばいいのだ。

アインシュタインもそう考えた。

「観測者の運動に関係なく、光速度は不変です」
というのが実験結果の結論なのだから、
それを素直に受け入れればいい。
そこで、アインシュタインは、
「絶対に光速度が変化しないように、
　力学の方程式を無理やり修正しました(^^)v」
とやったのだ。
（つまり、「光速度は常に不変」を「公理」として、
　新たに理論体系を構築したのである）

そうすると、どうなるのか。
そもそも、速度とは、

速度　＝　距離　÷　時間

である。
それで「速度が一定」なのだから、 
こうなったら、もう
「距離」と「時間」の方を変えるしかない！

つまり、
秒速 10万kmで運動しているＡ君と、静止しているＢ君が、
光を同じ速度で見るためには……、
それぞれの「距離」と「時間」を
無理やり調節するしかなくて、
そうすると結局、
「観測者毎に、時間と空間の定義が異なる」
という以下のような、相対性理論としてお馴染の法則が導かれる。

１）物体が、光速に近づいていくと、時間の流れが遅くなっていく。
２）物体が、光速に近づいていくと、その空間（長さ）が縮んでいく。

というわけで、
相対性理論の「運動すると、時間が遅れる」ということについて、
感覚的にはわかってもらえたと思う。

相対性理論は、アインシュタインが、いきなり思いついたわけではない。
「マイケルソン・モーリーの実験」という矛盾を
解決しようとする時代の流れの中で生まれたのである。

（補足）
なお、上記までの話は、
正確には「特殊相対性理論」と呼ばれるものの説明である。
「一般相対性理論」については、またの機会に。