第0章: アインシュタインの相対性理論の導入
20世紀初頭、アルベルト・アインシュタインは特殊相対性理論と一般相対性理論によって、私たちが宇宙、時間、そして重力を理解する方法を根底から変えました。これらの理論は、宇宙観を根本的に再構築し、現代物理学の基礎を築きました。
アインシュタインの相対性への旅は、1905年に彼の特殊相対性理論から始まりました。この理論は以下の2つの重要な前提に基づいていました：
- 物理法則は慣性系においてどこでも同じである。
- 真空中の光の速度は、光源や観測者の運動とは独立して一定である。
これらの簡単そうな前提から、アインシュタインは様々な深遠な結果を導き出しました。これは、従来のニュートンの絶対的な空間と時間の観念に挑戦しました。特殊相対性理論は、空間と時間が密接に結びついており、異なる観測者が相対的な運動に応じて長さや時間の間隔について異なる意見を持つことを示しました。特殊相対性理論からは、時間の膨張、長さの収縮、同時性の相対性など、奇妙な効果が予測されました。
特殊相対性理論の洞察を基に、アインシュタインは次の10年間にわたって一般相対性理論の開発に取り組みました。一般相対性理論は、加速度のある慣性系への相対性の原理を拡張し、重力を幾何学的な概念で説明しようとしました。一般相対性理論では、重力はもはや力として見なされるのではなく、物質とエネルギーの存在によって宇宙の時空が曲がることによって引き起こされるとされました。この理論は、太陽による星光の曲がり、ブラックホールの存在、宇宙の膨張など、多くの驚くべき予測を行います。
創設以来、特殊相対性理論と一般相対性理論は厳密な実験的な検証を受け、無傷で生き残ってきました。水星の軌道の微小なずれの精密な測定から、衝突するブラックホールから検出された重力波の最近の発見まで、相対性理論はこれまでに考案された最も成功した科学理論の一つであることが証明されています。
しかし、その成功にもかかわらず、相対性理論は非常に直感に反するため、多くの人々にとって理解が難しいものです。可変性のある時空が空間と時間を絡めており、物質とエネルギーに応じて曲がることを説明する相対性理論は、私たちの日常の経験とは対立します。相対性理論を理解するためには、現実の本質についての予想や直感を捨てる必要があります。
この本では、アインシュタインの相対性理論の謎を解明する旅に出ます。まず最初に、特殊相対性理論と一般相対性理論の概念的な枠組みと数学的な形式を注意深く展開します。相対性理論の魅力的な意味合いについて探求し、双子のパラドックスやE=mc2からワームホールや時間旅行までを説明します。そして、相対性理論が素粒子物理学の基本的世界から宇宙の大規模構造まで、私たちの現代的な理解を形成した方法を見ていきます。
進行するにつれて、数学的な厳密さよりも明晰さと物理的な洞察を重視します。必要な場合にはいくつかの方程式を避けることはできませんが、重点は相対性の基本的な考えを深く直感的に理解することにあります。思考実験、類比、イラストを広範に使用して旅を導きます。
この本の終わりまでに、特殊相対性理論と一般相対性理論の両方をしっかりと理解することができるでしょう。アインシュタインの革新的なアイデアが、私たちに空間、時間、重力についての考え方を再考させた方法を理解することができるでしょう。そして、現代物理学の中心にある優雅で深遠な理論に対する新しい理解を持つようになるでしょう。
それでは、アインシュタインの相対性理論の探求を始め、その誕生から100年以上経った現在においてどのように私たちの宇宙観を形成しているのか見てみましょう。