概要
ニュートン物理学では、空間と時間はそれぞれ独立したアイデンティティを持っており、誰もそれらを混同することはありませんでした. 20世紀初頭にまとめられた相対性理論により、時空について話すことはほとんど避けられなくなりました. 相対性理論では、空間と時間が別々の客観的な意味を持つというのはもはや真実ではありません。 実際に存在するのは時空であり、それを空間と時間に分割することは、人間にとって有用な慣習にすぎません。
相対性理論が理解しにくいという評判がある主な理由の XNUMX つは、私たちの直感が空間と時間を別々のものとして考えるように訓練することです。 私たちは物を「空間」に広がりを持っていると感じますが、それはかなり客観的な事実のように思えます。 私たちは通常、光の速度よりもはるかに遅い速度で空間を移動するため、最終的にはそれで十分です。そのため、前相対論的物理学が機能します。
しかし、この直感と理論の不一致は、時空の視点への飛躍をやや威圧的にします。 さらに悪いことに、相対性理論の提示はしばしばボトムアップのアプローチをとります — それらは私たちの日常の空間と時間の概念から始まり、相対性理論の新しい文脈でそれらを変更します.
私たちは少し違うつもりです。 特殊相対論への私たちのルートは、最初から統一された時空のアイデアを真剣に受け止め、それが何を意味するかを見て、トップダウンと考えられるかもしれません. 少し頭を働かせる必要がありますが、その結果、私たちの宇宙に対する相対論的な見方をより深く理解できるようになります。
相対性理論の発展は通常、アルバート アインシュタインに帰せられますが、1860 年代にジェームス クラーク マクスウェルが電気と磁気を単一の電磁気学理論に統合して以来、彼は建設中だった理論的建造物の頂点を提供しました。 マクスウェルの理論は、光とは何かを説明し、電磁場の振動波であり、光が移動する速度に特別な意味を与えるように見えました。 フィールドが単独で存在するという考えは、当時の科学者にとって完全に直観的ではなく、光の波の中で実際に「波打っている」ものは何なのか疑問に思うのは自然なことでした。
さまざまな物理学者が、発光性エーテルと名付けられた媒体を介して光が伝播する可能性を調査しました。 しかし、誰もそのようなエーテルの証拠を見つけることができなかったので、彼らはこの物質が検出されないはずのますます複雑な理由を発明することを余儀なくされました. 1905 年のアインシュタインの貢献は、エーテルが完全に不必要になり、それがなくても物理法則をよりよく理解できることを指摘することでした。 私たちがしなければならなかったのは、まったく新しい空間と時間の概念を受け入れることだけでした。 （OK、それはたくさんありますが、それだけの価値があることが判明しました。）
アインシュタインの理論は、特殊相対性理論、または単に特殊相対性理論として知られるようになりました。 彼の基礎論文では、「動く物体の電気力学について」と彼は、長さと期間についての新しい考え方を主張しました。 彼は、宇宙には絶対的な速度制限 (空の空間を移動するときに光がたまたま移動する速度) があり、誰もがその速度を測定すると同じになると仮定して、光の速度の特別な役割を説明しました。彼らがどのように動いていたとしても。 それを解決するために、彼は私たちの従来の時間と空間の概念を変えなければなりませんでした。
しかし、彼は空間と時間を単一の統一された時空に結合することを提唱するまでには至りませんでした。 そのステップは、20 世紀初頭に元大学教授のヘルマン ミンコフスキーに任されました。 特殊相対性理論の舞台は、今日、ミンコフスキー時空として知られています。
時空を統一された XNUMX 次元の連続体として考えると、その形について質問を始めることができます。 時空は平らか曲がっているのか、静的か動的か、有限か無限か? ミンコフスキー時空は平坦で、静的で、無限です。
アインシュタインは、重力を自分の理論に組み込む方法を理解するために XNUMX 年間取り組みました。 彼の最終的なブレークスルーは、時空が動的で湾曲している可能性があり、その湾曲の影響があなたと私が「重力」として経験するものであることを認識することでした. このインスピレーションの成果は、現在一般相対性理論と呼ばれるものです。
したがって、特殊相対性理論は、重力のない固定された平らな時空の理論です。 一般相対性理論は、曲率が重力を発生させる動的な時空の理論です。 どちらも、ニュートン力学の原理の一部を置き換えますが、「古典的」理論として数えられます。 物理学者にとって、古典は「非相対論的」という意味ではありません。 それは「非量子」を意味します。 相対論の文脈では、古典物理学のすべての原理が完全に損なわれていません。
私たちは、空間と時間の分離に対する相対性以前の好みを喜んで手放し、それらが時空の統一された領域に溶け込むことを許可する必要があります。 そこにたどり着くための最善の方法は、「時間」が何を意味するのかをさらに注意深く考えることです。 そのための最善の方法は、私たちが宇宙についてどのように考えているかをもう一度思い起こすことです。
自宅とお気に入りのレストランなど、空間内の XNUMX つの場所を考えてみましょう。 それらの間の距離は何ですか？
まあ、それは依存します、あなたはすぐに考えます。 XNUMX 点間を完全に直線で結ぶことを想像できれば、「カラスが飛ぶように」距離があります。 しかし、現実世界の旅で移動する距離もあります。おそらく、道に沿って建物やその他の障害物を避けて、公道や歩道を利用することに制限されているでしょう. 直線は XNUMX 点間の最短距離であるため、たどるルートは常にカラスが飛ぶ距離よりも長くなります。
時空における 6 つのイベントを考えてみましょう。 相対性理論の専門用語では、「イベント」は空間と時間の両方の位置によって指定される、宇宙の単なる 7 点です。 6 つのイベントを A と呼び、「午後 45 時に自宅で」、イベント B を「午後 7 時にレストランで」とすることができます。この XNUMX つのイベントを頭の中で固定し、A と B の間の旅について考えてみてください。早く B に到達することを急ぐことはできません。 XNUMX:XNUMX にレストランに到着した場合、B とラベル付けした時空間でイベントに到達するには、座って午後 XNUMX 時まで待つ必要があります。
これで、家とレストランの間の空間距離について行ったのと同じように、これら XNUMX つのイベントの間にどれくらいの時間が経過したかを自問することができます。
これはひっかけ問題だと思うかもしれません。 6 つのイベントが午後 7 時で、もう XNUMX つのイベントが午後 XNUMX 時の場合、その間に XNUMX 時間ありますよね?
それほど速くはない、とアインシュタインは言います。 確かに、時代遅れのニュートンの世界観では。 時間は絶対的かつ普遍的であり、XNUMX つのイベント間の時間が XNUMX 時間である場合、それがすべてです。
相対性理論は別の話をします。 さて、「時間」が何を意味するかについては、6 つの異なる概念があります。 時間の概念の 7 つは、時空の座標としてのものです。 時空は 7 次元の連続体であり、その中の場所を特定したい場合は、その中のすべての点に「時間」と呼ばれる数字を付けると便利です。 「午後 XNUMX 時」と「午後 XNUMX 時」について考えるとき、それは一般的に私たちが念頭に置いていることです。これらは時空の座標の値であり、イベントを特定するのに役立つラベルです。 「午後 XNUMX 時にレストランで会いましょう」という言葉の意味を、誰もが理解しているはずです。
しかし、相対性理論によれば、カラスが飛ぶ距離は一般に、宇宙の XNUMX 点間を実際に移動する距離とは異なります。一般に、あなたが経験する時間の長さは、世界座標時間と同じではありません。 旅の途中で持ち歩く時計で測定できる時間の長さを体験します。 これは、パスに沿った適切な時間です。 また、車の走行距離計で測定される移動距離と同様に、時計で測定される時間は、あなたがたどる経路によって異なります。
これが、「時間は相対的である」ということの XNUMX つの側面です。 私たちは、時空間上の座標の観点から共通の時間について考えることができます。 時間は空間のようなものです。この XNUMX つの概念は一致する必要はありません。 (歴史家のピーター・ガリソンが指摘しているように、アインシュタインがスイスの特許庁で働いていたのは偶然ではありません。当時、鉄道の急速な移動により、ヨーロッパ人は大陸の他の都市が何時であるかを考えなければなりませんでした。時計は重要な技術的フロンティアになりました。)
それでも、時間が空間のようではない何らかの方法があるはずです。そうでなければ、時間を独自のラベルに値するものとして選び出すのではなく、単に XNUMX 次元空間について話すことになります。 そして、ここでは時間の矢について考えていません。今のところ、私たちは可動部分がほとんどない単純な世界にいます。そこでは、エントロピーと不可逆性を心配する必要はありません。
違いは次のとおりです。空間では、直線は XNUMX 点間の最短距離を表します。 対照的に、時空では、直線経路は XNUMX つのイベント間の最長の経過時間をもたらします。 時間と空間を区別するのは、最短距離から最長時間への反転です。
時空における「直線経路」とは、空間における直線と一定速度の移動の両方を意味します。 つまり、加速度のない慣性軌道です。 時空間の XNUMX つのイベント — 空間の XNUMX つの場所と対応する時間の瞬間を修正します。 旅行者は、一定の速度 (適切な時間に到着するために必要な速度に関係なく) でそれらの間を直線的に移動することも、非慣性経路で前後に移動することもできます。 往復のルートは常に空間距離が長くなりますが、直線のルートよりも適切な経過時間は短くなります。
なぜそうなのですか？ 物理学がそう言っているからです。 または、それが宇宙のあり方だからです。 最終的には、このようにしなければならなかったより深い理由が明らかになるかもしれませんが、現在の知識では、それは物理学を構築するための基盤となる仮定の XNUMX つであり、より深い原則から導き出される結論ではありません。 空間内の直線は最短距離です。 時空の直線経路は、可能な限り最長の時間です。
距離が長いほど適切な時間が短くなるというのは、直観に反するように思えるかもしれません。 それで大丈夫です。 もしそれが直感的だったら、アイデアを思いつくのにアインシュタインである必要はなかっただろう.
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