#相対性理論 の時間の伸び縮みの仕組み

特殊相対性理論

  • 光の速度は一定
  • 時間の流れ方は環境によって変わる
  • ブラックホールの近くは時間の流れが遅くなる

みたいな話を聞いたことがある人も多いでしょう。

そういった時間の伸び縮みについて、できるだけシンプルな説明を書いてみます。

 

まず光の速度が一定、っていう話ですが、これは

「移動速度」+「時間の流れの速さ」=常に「光の速さ」

だと思ってください。

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ではまず「速度20」で動いているところを考えてみましょう。

(単純化するために、単位は考えなくて良いです)

光速を100として、移動速度が20だと

時間の流れる速さは100ー20=80です。

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そしてより早く動くと、「移動速度」が増えます。40にしてみます。

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しかし合計である光速の100は変えられないので、「時間の流れの速さ」が減ることになります。つまり「時間の流れが遅くなる」ということになります。

もっと早く動くとこうなります。

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早く動けば動くほど、どんどん時間の流れ方が遅くなります。

これが「早く動くと時間の流れが遅くなる」です。

 

一般相対性理論

次に、重力を加味した理論である一般相対性理論の「重力が強いと時間の流れが変わる」っていう話です。

これも実は上と全く同じ話です。

「重力が強い」は「移動速度が早い」と全く同じなんです。より正確に言うなら「速さ」ではなく「加速度」になるんですが。

「重力が強い」っていう状態は「すごいスピードでどんどん早くなってく」ことです。

 

無重力空間にある外が全く見えない箱の中の人が、急に床に足がついた時、「どこかの星に着陸したのか」「ワイヤーで上に引っ張られてるのか」の区別はつかないんです。

これがアインシュタインがいうところの「等価原理」というやつで、それにより加速度と重力はまったく同じ作用をもたらします。

 

なので、重力が比較的弱いところだとこうで

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そして、重力が強いとこうです。

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これが「重力が強いところだと時間の流れが遅くなる」です。

インターステラーで、ブラックホールであるガルガンチュアの近くでの1時間が地球での7年間に相当するというシーンがありましたが、あれはこういうことなんですね。

www.youtube.com

「動く速さ=重力の強さ」と「時間の進む速さ」はゼロサムのパラメータであり、どっちがが増えるともう片方は減る運命にあるんです。 

ブラックホールの内部

さてここで厄介なのがブラックホールの地平面の内側です。

ブラックホールに近づいていくと重力がどんどん強くなり、ある地点で光速よりも重力が強くなるポイントがあります。脱出速度が光速を超える、いわゆる「事象の地平面」とか「PNR / PONR」とも呼ばれます。

ともかく、ある点よりも近づくと、宇宙最速の光ですら逃れることはできません。

これを同様の図で示すとこうなります。

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えっ?どういうこと?

って思いますよね。

重力が限界突破してよくわからんことになってます。

時間の流れどこに行っちゃったの?って。

そうなんです。これがどういうことなのかよくわからないのがブラックホールの謎そして魅力の一つでもあるんですね。

空間と時間が逆転する、とか言われていますが、よくわかりません。

 

ともかく、光速を固定軸にすえて、それを移動速度と時間の流れに分割するイメージがあると、相対性理論も比較的理解がしやすいんじゃないかと思います。