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2010年7月31日 (土)

浦島効果

 SFや理科系の話に興味のない人には申し訳ないが時々は理科系の話を書いてみたい。
SFを読んでいると時々出てくる浦島効果の話を少しだけ書いてみよう。

浦島効果というのは宇宙船に乗って探検に出かけた人が地球に戻ってみるとそこでは遙かに時間が過ぎ去っているというような現象のことである。
このときに利用されている宇宙船はほぼ例外なく亜光速で飛ぶことができる。
そうでなければ浦島効果は発現しない。
ちなみに普通の物質で作られた宇宙船は光速で飛ぶことはできない。

この現象を説明するといわれるのが特殊相対性理論である。
この理論は光速度一定と相対性原理を前提として組み立てられている。
光速度一定とは真空中を飛ぶ光はどのような速度で移動する観測者から見ても常に同じ速度に見えるということである。
ちなみに水の中では光の速度は遅くなる。

相対性原理とは等速直線運動をしている観測者にとっての物理法則は静止している人の物理法則と区別できない事を意味している。
これは止まっている人が真上に放りあげたものはそのまま自分のところに落ちてくるが等速で移動している電車の中で同じ事を行っても同じ結果になることを意味している。
電車は揺れるので、すぐに区別できるが真空中をとぶ宇宙船の中でやれば区別できないだろう。

ここまで書いて本題に入る。
SF映画や小説を読んでいるといつも宇宙旅行から帰って来た側が若くて、地球の側が時間が過ぎ去っている。
これは考えてみれば不思議なことである。
地球から強力な望遠鏡を使って宇宙船の乗組員を観測してみるとそこでは時間がゆっくり過ぎているのがわかる。
宇宙船は光速より遅い速度で飛んでいるので十分に観測可能である。
逆に宇宙船の乗組員から地球を観測してみると地球の時間がゆっくり進んでいるのが観測できる。
宇宙船の方から見ると光速に近い速度で遠ざかっているのは地球であるからこれは当然のことである。
そこで、地球と宇宙船とでは何が違うのか考えてみよう。

実は宇宙船が地球に帰るところが違う。
宇宙船は旅の途中で、速度を緩め反転して地球に帰る。
もし何もしなくても地球の方が自分の方に近づいてきてくれれば結果もだいぶ違うだろう。
特殊相対性理論に出てくる数学は高校生程度でも十分理解できるので、実際に高校生の頃に計算してみた。
積分を使って計算してみると減速と反転によって確かに宇宙船の側の時間の歩みが遅くなることがわかる。
というわけで、100光年離れた星の観測に向かった乗組員は地球に戻ったら浦島太郎になるのである。

資料も何も使わずにビールを飲みながら書いているので、ちがうところがあると思う人は質問をください。
特殊相対性理論の説明がおおざっぱなのは私に能力がないからです。
もし詳しい説明が必要だという人があったら我が家にはアインシュタインが書いた論文の日本語訳を湯川秀樹氏が監修した物がありますので調べて返答しますが大変なのでできれば勘弁してください。

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