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相対性理論は、アルバート・アインシュタインによる2つの物理理論、すなわち特殊相対性理論と一般相対性理論から成り、それぞれ1905年と1915年に提唱・発表された。[ 1 ]特殊相対性理論は、重力のないすべての物理現象に適用される。一般相対性理論は、重力の法則と自然界の力との関係を説明する。[ 2 ]宇宙論および天体物理学の領域、天文学を含む領域に適用される。[ 3 ]
この理論は20世紀に理論物理学と天文学を変革し、主にアイザック・ニュートンによって構築された200年前の力学理論に取って代わりました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]この理論は、空間と時間の統一された実体としての4次元時空、同時性の相対性、運動学的および重力による時間の遅れ、長さの収縮などの概念を導入しました。物理学の分野では、相対性理論は素粒子とその基本的な相互作用の科学を向上させ、核時代の到来をもたらしました。相対性理論により、宇宙論と天体物理学は、中性子星、ブラックホール、重力波などの驚異的な天文現象を予測しました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
アルベルト・アインシュタインは、アルベルト・A・マイケルソン、ヘンドリック・ローレンツ、アンリ・ポアンカレらが得た多くの理論的成果と実験的発見に基づき、1905年に特殊相対性理論を発表した。マックス・プランク、ヘルマン・ミンコフスキーらはその後の研究を行った。
アインシュタインは1907年から1915年にかけて一般相対性理論を開発し、1915年以降は多くの人々が貢献した。一般相対性理論の最終形は1916年に発表された。[ 3 ]
「相対性理論」という用語は、1906年にプランクが使用した「相対性理論」（ドイツ語：Relativtheorie ）という表現に基づいており、プランクはこの理論が相対性の原理をどのように利用しているかを強調した。同じ論文の議論のセクションで、アルフレッド・ブヘラーは初めて「相対性理論」（ドイツ語：Relativitätstheorie）という表現を使用した。[ 6 ] [ 7 ]
1920年代までに、物理学界は特殊相対性理論を理解し、受け入れた。[ 8 ]それは原子物理学、核物理学、量子力学という新しい分野の理論家や実験家にとって、急速に重要かつ必要なツールとなった。
それに比べて、一般相対性理論は、ニュートン重力理論の予測をわずかに修正する以外には、それほど有用ではないように思われた。[ 3 ]その主張のほとんどが天文学的なスケールであったため、実験的に検証する可能性はほとんどないように思われた。その数学は難解で、ごく少数の人にしか完全に理解できないように思われた。1960 年頃、一般相対性理論は物理学と天文学の中心となった。一般相対性理論に適用する新しい数学的手法により、計算が効率化され、その概念がより容易に視覚化されるようになった。クエーサー(1963 年)、3 ケルビンのマイクロ波背景放射(1965 年)、パルサー(1967 年)、最初のブラックホール候補 (1981 年)などの天文現象が発見されるにつれて、[ 3 ]この理論はそれらの特性を説明し、それらの測定によってさらに理論が確認された。
特殊相対性理論は時空の構造に関する理論である。これはアインシュタインが1905年に発表した論文「運動する物体の電気力学について」で提唱された（他の多くの物理学者や数学者の貢献については、「特殊相対性理論の歴史」を参照）。特殊相対性理論は、古典力学では矛盾する2つの公準に基づいている。
結果として得られた理論は、古典力学よりも実験結果によく適合する。例えば、公準2はマイケルソン・モーリー実験の結果を説明する。さらに、この理論には多くの驚くべき、そして直感に反する結果がある。そのいくつかは以下のとおりである。
特殊相対性理論の決定的な特徴は、古典力学におけるガリレオ変換をローレンツ変換に置き換えることである。（電磁気学におけるマクスウェル方程式を参照。）
一般相対性理論は、1907年から1915年にかけてアインシュタインによって開発された重力の理論です。一般相対性理論の開発は、等価原理から始まりました。この原理によれば、重力場における加速運動と静止状態（例えば、地球の表面に立っているとき）は物理的に同一です。このことから、自由落下は慣性運動であることがわかります。自由落下している物体は、古典力学の場合のように重力によるものではなく、物体に力が加わっていないときに物体が運動するからです。これは、古典力学や特殊相対性理論とは相容れません。なぜなら、これらの理論では、慣性運動している物体は互いに加速することはできませんが、自由落下している物体は加速するからです。この困難を解決するために、アインシュタインはまず時空が曲がっていることを提案しました。アインシュタインは数学者のマルセル・グロスマンとこの考えについて話し合い、一般相対性理論は1800年代に発展したリーマン幾何学の枠組みの中で定式化できるという結論に至った。 [ 10 ] 1915年、彼は時空の曲率と質量、エネルギー、および時空の運動量を関連付けるアインシュタイン場の方程式を考案した。
一般相対性理論の帰結には以下のようなものがある。
厳密に言えば、一般相対性理論は重力に関する理論であり、その特徴はアインシュタイン場の方程式を用いることにある。場の方程式の解は計量テンソルであり、時空のトポロジーと物体の慣性運動を定義する。
アインシュタインは、相対性理論は「原理理論」と呼ばれる科学的枠組みのカテゴリーに属すると説明した。原理理論は、憶測に基づく構成物や想像上のメカニズムからではなく、確立された経験的事実や自然界で観察された規則性から出発する理論である。想定される基礎過程から現象のモデルを構築しようとする構成理論とは異なり、相対性理論のような原理理論は分析的アプローチを採用する。つまり、実験的に検証された原理から出発し、演繹的に、あらゆる物理的過程が従わなければならない論理的帰結と制約を明らかにする。自然過程を観察することで、その一般的な特性を理解し、観察したものを記述する数学的モデルを考案し、分析的手段によって満たされなければならない必要条件を推論する。個々の事象の測定はこれらの条件を満たし、理論の結論と一致しなければならない。[ 2 ]
相対性理論は反証可能な理論です。つまり、実験で検証できる予測を立てます。特殊相対性理論の場合、これには相対性原理、光速不変性、時間の遅れが含まれます。[ 12 ]特殊相対性理論の予測は、アインシュタインが1905年に論文を発表して以来、数多くのテストで確認されていますが、1881年から1938年の間に行われた3つの実験がその検証に決定的な役割を果たしました。これらは、マイケルソン・モーリー実験、ケネディ・ソーンダイク実験、アイブス・スティルウェル実験です。アインシュタインは1905年に第一原理からローレンツ変換を導き出しましたが、これらの3つの実験によって、実験的証拠から変換を導き出すことが可能になりました。
古典電磁気学の基礎であるマクスウェル方程式は、光を特性速度で伝わる波として記述している。現代の見解では、光は伝達媒体を必要としないが、マクスウェルと同時代の人々は、光波は空気中を伝わる音や池の水面に広がる波紋と同様に、媒体中を伝わると確信していた。この仮説上の媒体は、光を伝えるエーテルと呼ばれ、「恒星」に対して静止しており、地球はその中を移動していると考えられていた。フレネルの部分エーテル引きずり仮説は、一次効果 (v/c) の測定を排除し、二次効果 (v 2 /c 2 ) の観測は原理的には可能であったが、マクスウェルは、当時の技術では小さすぎて検出できないと考えていた。[ 13 ] [ 14 ]
マイケルソン・モーリー実験は、「エーテル風」、つまり地球に対するエーテルの運動の二次効果を検出するために設計された。マイケルソンはこの目的を達成するためにマイケルソン干渉計と呼ばれる装置を設計した。この装置は期待される効果を検出するのに十分な精度を持っていたが、1881年に最初の実験を行ったとき[ 15 ]、そして1887年に再び実験を行ったとき[ 16 ] 、彼は何も得られなかった。エーテル風を検出できなかったことは失望であったが、その結果は科学界に受け入れられた[ 14 ] 。エーテルパラダイムを救済しようと、フィッツジェラルドとローレンツはそれぞれ独立して、物質体の長さはエーテルを通過する運動に応じて変化するというアドホックな仮説を立てた[ 17 ] 。これがフィッツジェラルド・ローレンツ収縮の起源であり、彼らの仮説には理論的根拠がなかった。マイケルソン・モーリー実験のヌル結果の解釈は、光の往復時間は等方的（方向に依存しない）であるということだが、この結果だけではエーテルの理論を否定したり、特殊相対性理論の予測を検証したりするには不十分である。[ 18 ] [ 19 ]
マイケルソン・モーリー実験では光速が等方的であることが示されましたが、異なる慣性系で速度の大きさがどのように変化するか（あるいは変化しないか）については何も述べていませんでした。ケネディ・ソーンダイク実験はそれを明らかにするために設計され、1932年にロイ・ケネディとエドワード・ソーンダイクによって初めて実施されました。[ 20 ]彼らはヌル結果を得て、「宇宙空間における太陽系の速度が地球の軌道上の速度の約半分以下でない限り、効果はない」と結論付けました。[ 19 ] [ 21 ]この可能性は偶然すぎて受け入れられる説明にはならないと考えられたため、彼らの実験のヌル結果から、光の往復時間はすべての慣性参照系で同じであると結論付けられました。[ 18 ] [ 19 ]
アイブス・スティルウェル実験は、ハーバート・アイブスとGR・スティルウェルによって1938年に初めて実施され[ 22 ]、1941年にはより高い精度で実施された[ 23 ]。この実験は、1905年にアインシュタインによって予測された横方向ドップラー効果（移動する光源からの光が、その速度に垂直な方向に赤方偏移する現象）を検証するために設計された。その戦略は、観測されたドップラーシフトを古典理論によって予測されたものと比較し、ローレンツ因子補正を探すことであった。そのような補正が観測され、そこから、移動する原子時計の周波数は特殊相対性理論に従って変化するという結論が得られた[ 18 ] [ 19 ] 。
これらの古典的な実験は、より高い精度で何度も繰り返されてきた。その他の実験としては、例えば、高速における相対論的エネルギーと運動量の増加、時間の遅れの実験的検証、そしてローレンツ対称性の破れの現代的な探索などが挙げられる。
一般相対性理論はこれまで何度も検証されており、代表的な実験としては、水星の軌道の近日点歳差運動、太陽による光の偏向、そして光の重力赤方偏移などが挙げられる。その他の実験では、等価原理とフレームドラッギングも確認されている。
相対論的効果は、単なる理論上の関心事にとどまらず、重要な実用的な工学上の問題である。衛星ベースの測定では、各衛星が地球上のユーザーに対して相対的に運動しており、相対性理論の下では異なる参照系にあるため、相対論的効果を考慮する必要がある。GPS、GLONASS、Galileoなどの全地球測位システムは、地球の重力場の影響など、すべての相対論的効果を考慮して正確に動作する必要がある。[ 24 ]これは、高精度な時間測定の場合にも当てはまる。[ 25 ]電子顕微鏡から粒子加速器に至るまでの機器は、相対論的考慮を無視すれば機能しないだろう。[ 26 ]
{{cite encyclopedia}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク){{cite encyclopedia}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク){{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク){{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク)
Wiktionaryにおける相対性理論の辞書定義
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