相対性理論を学びたい人のために

まだ一度も相対性理論を勉強したことのない人は、何か一冊相対性理論の本を読みかじってみて、なぜこんなことが?という、疑問を持ってからこのブログに来てください。ブログの先頭に戻るには表題のロゴをクリックしてください

相対論への招待(その22)

 現在2020年3月5日19時02分である。

麻友「一昨日、昨日は、もの凄く、疲れたわ。『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』と、言ってたけど、確かに、数学者が、常人とは違う論理で、数式を立てているのが、分かったわ」

私「まあ、常人と同じだったら、数学者じゃない」

若菜「手品も、見ました。あんな技があるなんて」

結弦「目の前で、お父さんが、変数を入れ替えたと思ったら、もう答えが出てた。マジック以外の何物でもない」

麻友「簡単に、昨日の復習をさせて」

私「絵を見るだけで、思い出せるだろう」



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 1399ページと1400ページは、わざと間違った計算をして、数値が合わないことを示し、特殊相対論へ誘導している。


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 読み取りづらい部分の補足

 1を往復したので、{t'}系で2秒経ったとき、{t}系で{\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}}秒経ったというのとも違う。

 長さも縮んでいるので、やはり、加速させて縮む量を計算しなくてはならない。

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麻友「太郎さんが、

『1を往復したので、{t'}系で2秒経ったとき、{t}系で{\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}} 秒経ったというのとも違う』

と、書いているじゃない。一体何が、{\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}} 秒と、違うと言ってるの?」

私「いよいよ、そこだな。まず、{\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}} 秒、というのは、昨日計算した、時間の伸びだよな。これに対し、この実験をやると、この {\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}} 秒のはずの時間が、{\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1-v_1^2}}} 秒と、観測されるんだ」

若菜「お父さんは、昨日も言ってましたが、{v_1} は、本当は、光速度で、{v_1} を割った、

{\displaystyle \beta_1=\frac{v_1}{c}}

なんだと、言ってましたから、

{\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1-v_1^2}}=\frac{2}{\sqrt{1-\beta_1^2}}}

ですよね。改めて、

{\displaystyle \beta_1=\frac{v_1}{c}}

を、代入すると、

{\displaystyle \frac{2}{\sqrt{1-\beta_1^2}}= \frac{2}{\displaystyle \sqrt{1-\frac{v_1^2}{c^2}}}}

 これ、ローレンツ変換の式と言ってたのですよね」

私「そうだ。時間の伸びは、ローレンツ変換のルートの式を掛けたものになる。この場合、伸びる場合なので、割っているが」

結弦「じゃあ、お父さんが、『{t}系で{\displaystyle \frac{2}{1-v_1^2}} 秒経ったというのとも違う』と、言ってたのは、『実験結果 {\displaystyle \frac{2}{\displaystyle \sqrt{1-\frac{v_1^2}{c^2}}}} 秒が、計算値 {\displaystyle \frac{2}{\displaystyle 1-\frac{v_1^2}{c^2}}} 秒、というのとも違う』と、言ってたんだね」

私「まさに、その通りだよ」

麻友「その実験というのは、いつ行われたの?」

私「最も有名なのは、1887年に発表された、マイケルソン-モーリーの実験というものだ」

麻友「19世紀?」

私「まあ、今もう21世紀だからな」

若菜「19世紀の実験から、相対性理論が、導かれるのに、21世紀の私達が、相対性理論を、分かってないなんて、ちょっと、恥ずかしいですね」

結弦「でも、もうゲノム編集もできて、新しい生物だって作れるほど、分子生物学と医学が進んでるのに、新型コロナウイルス(2019-nCoV) ごときで、死者が、3月5日午前2時の段階で、世界中で、3,245人なんて、科学は、何のためにあったのかと言われても、恥ずかしくて申し開きできないんじゃない?」

私「少なくとも、特殊相対性理論では、新型コロナウイルスを、倒せない」


麻友「それでも、太郎さんは、特殊相対論の講義を、続ける」

私「アポロ11号は、月面に着陸した。だが、アポロ13号は、途中で事故を起こす。地球に帰れるかどうかも分からないのに、飛行士達は、

『月の裏側へ来たのは、我々が初めてだ。帰れたときのために、写真を撮っておこう』

などと言って、今なら、スマホにも付いてるデジカメでパシャだが、シャッタースピードや、絞りを調整して、フィルムカメラで、月の裏側の写真なんか、撮っている。帰れたから良いようなものの、無駄になっていたかも知れない。でも、そういう努力の積み重ねで、科学は進んできた」

結弦「いよいよ、4枚目のスキャン原稿」

私「一旦、全部見せよう。前回、全部見せたときの言葉も、一緒に付けてある。これだ。


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 1401ページ、1402ページ、1403ページが、この導出の肝。


 {t'}系と{t''}系は、{A}{B}の点で、{t}系から見て、同じ速度。{t'}系,{t''}系から見て、{A}{B}は、同時刻。

 コノライン上の点は、加速系で同時刻。

 最初からそのときまで、ずっと同時刻。

 相対論では、同時刻ラインは傾くので、

などとはならない。

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双曲線の一般型{\displaystyle \frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2} =1}

Aを通る双曲線{\displaystyle \frac{x^2}{b^2}-\frac{y^2}{b^2} =1}

Bを通る双曲線{\displaystyle \frac{x^2}{(a+b)^2}-\frac{y^2}{(a+b)^2} =1}

 直線{y=vx}上の点は、同時刻になっている。

{\left\{ \begin{array}{2} \displaystyle \frac{x^2}{b^2}-\frac{y^2}{b^2} =1\\ y=vx \end{array} \right.}

連立方程式から、同時刻な点は、

{\displaystyle (x,y)=(\frac{b}{\displaystyle \sqrt{1-v^2}},\frac{bv}{\displaystyle \sqrt{1-v^2}})}

である。

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 以上だ。何カ所か、読みづらい字のところを、手で書き加えておいた。



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私「取り敢えず、4枚目から7枚目まで、4枚見せたが、今日は、ここまでに、しておこうか。前回までの、直線だけのときと比べて、遥かに難しくなってくる。明日から、またゆっくり説明する。ひとつ注意しておくべきことは、

{t'} 系で2秒経ったとき、{t} 系で、{\displaystyle \frac{2}{\displaystyle \sqrt{1-v^2}}} 秒も経っている』

と、私が、シャーペンで、書いているが、『~も経っている』と、強調しているのは、2秒に対し、{\displaystyle \frac{2}{\displaystyle \sqrt{1-v^2}}} 秒 の方が、長いぞという意味である。先に失敗した計算したの、{\displaystyle \frac{2}{\displaystyle 1-v^2}} 秒の方が、{\displaystyle \frac{2}{\displaystyle \sqrt{1-v^2}}} 秒 より、もっと長い。これは、以前、


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 ところが、実際の人間の体などは、加速して速度が速くなるにつれて、時間が遅れてくるにつれ、それに抵抗しようとするかのように、自分の体を縮めて、ほんのちょっと時間を進めようとするんだ。これは、同時刻の点が同じ加速をしていることの結果なんだけどね。

「結局、遅れるの?進むの?」

 遅れるんだけどね、モーターボートのときほどたくさんは、遅れないんだ。

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(『相対論への招待(その3)』より)


と、話した相対性理論の難しい部分に、もろに触れる部分なんだ」

麻友「そんな、前のことまで、覚えてるのね。ああ、それくらいでなきゃ、相対性理論の説明上手い、なんて、豪語できないわね」

私「じゃあ、みんな、おやすみ」

若菜・結弦「おやすみなさーい」

麻友「おやすみ」

 現在2020年3月5日21時57分である。おしまい。