相対性理論を学びたい人のために

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相対論への招待(その20)

 現在2020年3月3日11時14分である。

麻友「前置きは抜きにして、始めて」

私「そうか。分かった。スキャンした原稿の1枚目。いよいよ、計算だ」

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若菜「どの計算をするのですか?」

私「まず、状況を説明する。前回話した、麻友さんが12時2分0秒にペンライトを振って、合図をして、その光が、運転席の窓に当たって、跳ね返ってきて、12時2分0秒と2マイクロセカンドに、麻友さんに見えたということだった」

結弦「それは、覚えている」

私「そのとき、運転席の窓ガラスに当たった時刻が、12時2分0秒と1マイクロセカンドのときなのだと、麻友さんは思うだろうと言った」

若菜「そうでしたね」

私「そうだとすると、ペンライトの光が運転席の窓ガラスに当たった時刻と、麻友さん自身のパスの12時2分0秒と1マイクロセカンドの点が、同時刻だということに、ならないか?」

麻友「あっ、そういう論理を、使うつもりだったのね。だとすると、スキャンした原稿の2段目の左の図の言いたいことが、分かる」

私「ちょっと、特待生の先走りだけど、そういうことだ」

若菜「天才ふたりで、私達を、置いていかないでください」

結弦「2段目の左の図って?」

私「もう一度、図を持ってこよう」

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麻友「太郎さんは、座標の原点を、ずらしたのね」

私「そうなんだ。12時2分0秒に、ペンライトを振ったという実験をしたといったけど、実験自体を、12時に秋葉原を出発する前から、始めていて、12時0分0秒より前から、麻友さんは秋葉原より鶴見側、つまり東大宮と反対側からもう東大宮へ向けて、動いていて、12時ぴったしに秋葉原を通るとしてある」

結弦「何のために?」

私「計算を楽にするためだよ。12時ぴったしに、麻友さんと秋葉原が、一致した方が、秋葉原にいたとき、麻友さんと同時刻なのが、どこかを、計算しやすい」

麻友「それで、太郎さんは、12時0分0秒の1マイクロセカンド前に、私が、ペンライトを振るとした」

私「厳密には、麻友さんの時間はゆっくり流れているので、さっきの12時2分0秒と2マイクロセカンドで、戻ってくるというのも、静止している人に取って、2マイクロセカンドなのか、麻友さんに取って、2マイクロセカンドなのか、曖昧だ。しかし、今は、麻友さんは、ペンライトで、合図をして、その合図をした時刻から、戻ってくるまでの時間を計っていて、もどってきたとき、その戻ってくるまでに掛かった時間の半分のときに、運転席のガラスに当たって、跳ね返ってきたんだなと、思うのだから、具体的に何秒かは、問題ないのだよね」

若菜「分かりません。どうして、そんなタイミング良く、戻ってくるように、ペンライトを振れるんですか?」

私「タイミング良く、振ってるんじゃないんだ。ペンライトを振って、その映像が、色んな距離のガラスで、どんどん跳ね返って、戻ってくる。3両目の窓ガラスにも、2両目の窓ガラスにも、自分のペンライトを振っている姿が、見えてくる。そして、この場合、ペンライトを振ってから、秋葉原を通ったときまでの時間を計り、その2倍の時間が経ったとき、運転席の窓ガラスに映って見えた、ということに、したんだよ。実際には、2両目の窓ガラスだったかも知れない」

結弦「完全に、お父さんの思考実験なんだな」


麻友「そして、とうとう計算ね。でも、太郎さん。記号が、統一されてないわよ」

私「これねー。『麻友』ノートのメモ程度の計算だから、私の思いつきで、書いてる。でも、これは、これで、私の思いつきが、伝わって、いいんだ。2段目の右の図の計算の説明をしよう」

若菜「全く分かりません」

私「数学者が、計算するときの式の立て方の良い例になってるから、見せよう」

私「まず、麻友さんは、速さ {v_1} で、動いているとしている。1マイクロセカンドでは、計算しにくいので、1秒くらいとしよう。1秒で、麻友さんは、どれだけ動くだろうか?」

結弦「進んだ距離は、速さかける時間だから、{v_1 \mathbf{m/s} \times 1 \mathbf{s} =v_1 \mathbf{m}} だよね」

私「そうだ。だから、スキャンした原稿の2段目の右の図の右上に、{(v_1,1)} と書いてある。ここから、私は、計算を始めた。もう一度図を持ってくるよ」

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結弦「この小さい直角三角形の、この点は、本当に座標 {(v_1,1)} なの?」

私「静止系で、1秒経ったとき、速さ {v_1} の麻友さんが、静止系の {x} 座標が、{v_1} の点に来るのは、結弦が計算したんじゃないか」

若菜「私、分かった。お父さんは、この点を利用して、斜め45度の線を、求めたんだ。斜め45度で、下向きなら、傾きは、{-1} そして、この点 {(v_1,1)} を通るんだから、{t-1=-1(x-v_1)} となる」

結弦「どうして、これが、その直線の式だと分かるの?」

若菜「まず、{v_1} は、定数ね。そして、{x,t} についての1次式だから、直線ね。そして、{(x,t)=(v_1,1)} を代入すると、左辺も右辺も {0} になって等号が成立するから、この点を、この直線は通る。恒等的に {0} ではないから、直線であることは、保証される」

麻友「恒等的って?」

私「ああこれ、恒等的(こうとうてき)と、読むんだけど、数学の専門用語なんだ。広辞苑にも、精選版日本国語大辞典にも、載ってない。identity の訳語なんだけど、普通日本語では、identity は、アイデンティティーと訳すけど無理に自己同一視などと訳すともっと分からなくなる。数学では、identity は、関数なんかで、何もしない関数。つまり、1をかける関数なんかのことなんだ。だから、若菜が、『恒等的に {0} ではないから』と言ったのは、あの式が、『{0=0} の意味で、成り立っているのではないから』という意味だったんだ」

麻友「 {0=0} だとしたら、どうなってたの?」

私「あの{x}-{t}平面上のすべての点が、式を満たすことになっちゃうから、直線でなく座標平面全部となる」

結弦「お父さん、どうして、ここまで、説明したの?」

私「『こうとうてき』で、ATOKが、『高踏的』以外、漢字を知らなくて、『こうとう』で、変換しても、『恒等』が、最後まで見つからなかったんだ。電子辞書調べても、数学用語でしか見つからない。これは、問題だと思って、書くことにしたんだ」

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結弦「そうすると、僕の番だな。また、お父さんが、とんでもない技を、使ってる。右上へ上がるお母さんのパスで、ペンライトを振った瞬間の座標が必要なんだけど、それを、設定で、秋葉原を通った瞬間の点を基準として、お姉ちゃんが使った、{(x,t)=(v_1,1)} という点と対称な点としてる。なんで、こんなことが、できるかというと、お父さんが、座標の原点を、ずらしてあったからだ」

結弦「原点を基準として、{(x,t)=(v_1,1)} と対称な点は、もちろん {(x,t)=(-v_1,-1)} だから、お姉ちゃんが使った論法で、行きの光のパスは、{t-(-1)=1 \cdot (x-(-v_1))} となるんだ。このお父さんの論理に、読んでいる人、付いてこられているのかなあ」

私「結弦。頑張った。羽生結弦君が、4回転決めたときのように、麻友さん喜んでいるだろうよ」


麻友「このふたりが、頑張ったのなら、私も、頑張らなきゃね。ふたりが導いた、2本の式からなる、連立方程式を解くのね」

私「そもそも、その連立方程式を解くと、何が求まるか、分かっている?」

麻友「もー、意地悪。何が求まるのよ」

私「確かに、本当に分からないのなら、『分からない』というのも、大切」

私「この場合、ふたつの光のパスの交点。つまり、ペンライトを振った、麻友さんの光が、運転席の窓ガラスに当たった瞬間の座標だよ」

麻友「分かってれば、計算もし易いわね。じゃあ、

{\left\{ \begin{array}{2} \displaystyle t-1 =-1(x-v_1)\\ t-(-1)=1 \cdot (x-(-v_1)) \end{array} \right.}

と連立させて、整理して、

{\left\{ \begin{array}{2} \displaystyle t =-x+v_1+1\\ t=x+v_1-1 \end{array} \right.}

 両辺足して、

{2t=2v_1}

2で割って、

{t=v_1}

 これを、第2式に代入すると、

{0=x-1}

だから、

{x=1}

となり、

{(x,t)=(1,v_1)}

と、求まった。だけど、これで、何? 何が分かったの」

私「特待生でもそうか。私が、あのスキャンした原稿で、3段目に何を、書いてる?」

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麻友「{(1,v_1)} って」

私「そう。だから、麻友さんに取っての秋葉原での同時刻ラインの傾きが {v_1} と求まった。だから、スキャン原稿の次のページへ進めるんだよ」

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麻友「2ページ目。とうとう、そこまで来たの」

若菜「お父さんが、今まで、なかなか相対論への招待を、進められなかったのは、当然かも知れませんね。でも、ペンライトを使うっていうアイディアは、最初からあったのですか?」

私「いや、あの投稿を書いているとき、麻友さんにどうやって説明しようと、思って、ふと『ペンライトの光にしたら?』って、思い付いたんだ。完全に、麻友さんあっての、説明」

結弦「今日は、まだお昼食べてないんでしょ。投稿して、URLツイートして、マックでも、行ってきたら?」

私「そうだな。今日は、ここまでにするか」

若菜・結弦「バイバーイ」

麻友「楽しかったわ。バイバイ」

私「バイバイ」

 現在2020年3月3日15時19分である。おしまい。