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相対性理論は、シンプルでエレガントであると同時に、気の遠くなるような非直感的な理論でもある。しかし、Einsteinの研究の中で、中心的な役割を果たし、やがてNewtonの重力を完全に再構築し、宇宙の構造に関する私たちの概念そのものを変えることになる一つの特徴がある。

その特異な特徴とは、まさにその名の通り「相対」である。Einsteinは、私たちがかつて不変だと思っていたものが、そうではなかったことを発見したのだ。しかし、EinsteinがNewtonの洞察をどのように書き換えたかを理解するには、まず時計の針を少し巻き戻してNewtonの洞察を理解する必要がある。Newtonは、すべての物体から発せられ、すべての物体につながる力である重力の概念を思いつくと、その力を普遍的なものにするために宇宙を必要とした。太陽がその重力をもって手を伸ばし、すべての惑星に、たとえ強大な木星であっても、次にどこに動くべきかを指示するとき、それらの惑星は太陽との相対的な位置を知る必要がある。私が木からリンゴを摘み取って落下させるとき、リンゴは適切な加速度を得るために、地球からの距離を知る必要がある。

宇宙のすべてのものは、重力が適切な力で作用するように、他のすべてのものがどこにあるかを知る必要がある。こうしてNewtonは、宇宙を広大な固定されたグリッド、一連の普遍的なルールとマスタークロック、そして他のすべての尺度がそこから得られる絶対的な参照枠として考えたのである。(これは文字通りの意味ではない。宇宙の虚空に浮かぶ巨大な時計が絶対的な時間を刻んでいるわけでも、文字通り宇宙を横断する格子状の定規があるわけでもない。これはすべて、重力を計算するためのメカニズムを提供する数学的枠組みであるが、その枠組みの必要性はNewtonの研究において最も重要である)。

Newtonの重力観では、あらゆる重力の相互作用は、普遍的で固定された絶対的な参照枠を基準に計算されなければならない。私たちの宇宙の実体は、重力が適切な時と場所で適切な強さになるように、この固定されたフレームに対して自分がどこにいるかを知っていなければならない。

しかし、James Clark Maxwellの電磁気学に関する研究は、この普遍的な参照枠に反していた(当時、Maxwellは気づいていなかったが)。Maxwell自身の天才的な数学は、光速は常に永遠に光速であると言った。どんなに速く動こうが、どんな方向に動こうが、光が近づいてこようが遠ざかってこようが、それは問題ではなかった。光は光速で動く。

もしNewtonが提案したように、ある普遍的な参照枠、マスタークロック、絶対的な定規があるとすれば、光の速度はその絶対的な参照枠に対する相対的な速度となるはずである。なぜなら、その絶対的なフレームが、すべての運動を測定する基準となるからである。そして、その絶対的なフレームが存在することで、光線にまたがって移動しても、それが固定され、その場に止まっているのを見ることができるはずである。

MaxwellとNewton、この統一巨人戦ではどちらが勝つべきなのだろうか?宇宙には、私たちがすべての運動を判断するための固定された参照枠があるのだろうか。それとも、光速のように、私たちの視点を気にすることなく不変で一定なものもあるのだろうか。

EinsteinはMaxwellを選び、Einsteinは正しかった。普遍的な参照枠も、マスタークロックも、絶対的な定規も存在しない。すべての観測者の相対的な視点以外に、運動を判断する方法はない。言い換えれば、これが相対性理論の相対性である。もしEinsteinが自転車で私の前を通り過ぎたとしたら、私の視点からは、彼は動いているとしか言えない。Einsteinから見れば、自分は静止しており、動いているのは私だと主張するのは当然である。

絶対的な時間と空間という概念を捨てたEinsteinは、その努力の結果、何かを得た。宇宙には不変のものがある。すなわち、物理法則である。偉大な観測者も、遅い観測者も、速い観測者も、方向が定まっている観測者も、方向が定まっていない観測者も、すべての観測者が物理法則の共通性に同意している。例えば、Maxwellの方程式である。光速は一定である。終わり。宇宙のすべての観測者は、その位置や速度や加速度に関係なく、常に同じ光速を見る。


この記事は、PAUL M. SUTTER氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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