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 アルバート・アインシュタインは20世紀最大の天才の1人だ。革新的な物理理論で科学の風景を永遠に変えてしまった。そのアインシュタインが天才である所以は、複雑な科学のアイデアを現実の場面に置き換えて考える驚異の能力にある。

 彼はこうした想像のことを”ゲダンケクスペリメント”、すなわち思考実験と呼んだ。ここではアインシュタインの革新的アイデアにつながった思考実験を5つほど見ていくことにしよう。
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1. 光を追っていると想像する思考実験

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 これはアインシュタインが16歳のときに始めた思考実験だ。空間を移動する光を追ったらどうなるだろうか?

 どうにかして追いつくことができるのだとすれば、空間で停止した光を観察できるだろう、とアインシュタインは推測した。だが光は空間で停止しない。さもなければそれは光でなくなってしまう。

 やがて彼は気がついた。光の速度は遅くなったりせず、常に光速で自分から離れていかなければならないのだということに。ゆえに何か別のものが変化しなければならなかった。そう時間だ。これこそが特殊相対性理論の基礎となった。


2. 電車に乗っているところを想像

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 あなたが電車に乗っており、友人がその外に立って目の前を通過することころを見ているとしよう。雷が車両の両端に落ちたとしたら、友人は雷が同時に落ちる場面を目にするだろう。しかし、電車に乗っているあなたは、電車が前進しているので、前方に落ちる雷により近い。その分、光の移動距離が短くなるので、まずその雷を最初に見るだろう。

 この思考実験は、移動している人と止まっている人では時間の流れが異なることを示している。ここからアインシュタインは時空は相対的なもので、同時性は存在しないと信じるようになった。これも特殊相対性理論の基礎である。


3. ロケットに乗る双子を想像

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 この思考実験は、アインシュタインの光時計の思考実験の有名な別バージョンで、時間の流れに関係する。例えば、あなたには双子のきょうだいがいて、ほぼ同時に生まれたとしよう。しかし、双子のきょうだいが誕生した瞬間、その子は宇宙船に乗せられ、光速に近い速さで宇宙へ向けて旅立ってしまう。

 アインシュタインの特殊相対性理論によれば、あなたとあなたの双子は違う速さで歳をとる。光速に近づくほどに、時間の流れが遅くなるからだ。したがって、双子のきょうだいはゆっくりと歳をとる。宇宙船が地球に戻ったとき、あなたは定年後の生活を考えているが、きょうだはようやく青春を迎えようとしている……そんなこともあるかもしれない。


4. 箱の中に立っているところを想像

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 あなたが浮かんでいる箱の中に入っているとしよう。外で起きていることは一切わからない。突然、床が落ち始めた。どうしたのだろうか? 重力で箱が引かれたのだろうか? それとも括り付けられていたロープで上に引っ張られ、加速しているのだろうか?

 この2つの効果が同じ結果を生み出すという事実から、アインシュタインは重力と加速との間に違いはないと結論付けるに至った。どちらも同じものである、と。

 今度は、前述した時間と空間が絶対的ではないということについて考えてみよう。もし動きが時間と空間に影響し、重力と加速が同じものならば、それは重力が実は時間と空間に影響するということになる。重力の時空を歪ませる能力は、一般相対性理論の主要部分である。


5. 両面コインを投げたところを想像

5

 アインシュタインは量子論の最大の支持者ではなかった。むしろ、常に思考実験によってそれを反証しようとしてきた。だが、量子論の先駆者たちを理論の完成へと導いたのは、こうした思考実験であった。

 量子論と関連のあるアインシュタインの思考実験の1つのことを、彼自身は”奇妙な遠隔作用”と呼んでいた。簡単に半分に割ることができる両面のコインを想像しよう。これをコイントスし、どちらが上になったのか確認しないまま片面を友人に渡し、もう片方を自分で持った。ここで友人はロケットに乗って、宇宙へ飛び立った。

 それからあなたは手の中に握りしめているコインを確認する。表だ。そしてその瞬間、あなたは数十億光年は離れた場所にいる友人のコインは裏であることを知る。

 もしこれらのコインの面は不確定なままで、あなたがそれを見るときまで表と裏の狭間を繰り返し変化していると思うのならば、コインは光速を無視して、たとえ何光年コインが離れていようとも瞬間的に互いに影響しているに違いない。

These 5 mind-melting thought experiments helped Albert Einstein come up with his most revolutionary scientific ideas/ translated & edited by hiroching

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コメント

1

1. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 20:45
  • ID:EjvVaF.q0 #

わー ぜんぜん分からないよ!
けど オラすっげーわくわくするぞ!!

2

2. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 20:49
  • ID:9HC6O2PO0 #

光の移動=時間、これが覆されたらまた違う世界が広がるのかな?

3

3. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 20:53
  • ID:aCAAlGV.0 #

こういった記事に興味はあるんですが、語力の無い自分は微妙な言い回しがいまいち解りづらかったです。

4

4. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 21:22
  • ID:Kblyv5r20 #

データを収集するのに基本であるはずの、
観測点を増やすという行為は、
現実ではなぜか常識が一番の壁になるんだな。
でも、思考実験はそういう壁がない。
これは、本当に大きい。

5

5. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 21:28
  • ID:kUg8XmHX0 #

1万2000年後かぁ

6

6. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 21:46
  • ID:9MR4gMRg0 #

5.はまさに量子もつれの話だね

7

7.

  • 2016年08月04日 21:47
  • ID:elZIOfiE0 #
8

8. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:01
  • ID:7NXCDgsC0 #

普通は考えて他人に話しても、くだらねー の一言で

9

9. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:04
  • ID:BinaEIVz0 #

特殊相対性理論だね(一般相対性理論のほうが難しい)
双子のロケット、エレベーター辺りはTVの特集で見た覚えがある
地球に残ったほうが「宇宙ーでーはーさびしーいーよー」て間延びしたメッセージを受け取るんだ

10

10. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:14
  • ID:yGOsfqA10 #

なんつーか、光すらも抜け出せないブラックホールっていうのは矛盾してる気がする。だって時間が無限大で止まってるのに爆ぜるのは何で?重さに耐えきれないとか、時間の流れって不変だと思う。光が重力に曲げられるのは物質だから。なぜ光基準なのかがそもそも理解できない。

11

11. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:19
  • ID:S8Q1MlV30 #

発想の奇抜さや特異さも然ることながら

その特殊な発想を突き詰めていけることに狂気すら覚える

普通は「いやいやあり得ない」で思考停止するでしょ

天才と狂人てホント紙一重だわ

12

12. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:31
  • ID:KRXHu6eG0 #

なるほど、まったくわからん

13

13. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 22:48
  • ID:BinaEIVz0 #

アインシュタインつながりで、前の記事の話
『「宇宙の地図」 アインシュタインの相対性理論初となる宇宙のフルモデル化が完成』
てやつ

これで36のコメント
「あのニューロン細胞に似た宇宙象、アレとコレとの関連を誰か説明してくれないか?」
どなたか説明できる人、どうかよろしくお願いします

14

14. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 23:06
  • ID:64SjA3Eg0 #

>光の速度は遅くなったりせず、常に光速で自分から離れていかなければならないのだということに。ゆえに何か別のものが変化しなければならなかった。そう時間だ。

さっぱりわからんw

15

15. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 23:28
  • ID:j0Ezmuxh0 #

※10 >時間の流れって不変だと思う

それがニュートン力学の間違いで、相対性理論との一番の違い。
ニュートンは、時間の流れは立場が変わっても、変わらないとした。
地球上では誤差ですんだが、宇宙で観測すると誤差で済まないレベルだったが、相対性理論が出ると誤差無しのドンピシャで観測できた。
光基準なのは、唯一変わらないのは光速のみだから。
止まってる人から見ても、光速の50%で動いてる人から光を出しても、光速は一緒。(解りズらいね)

16

16.

  • 2016年08月04日 23:53
  • ID:goxr8GiL0 #
17

17. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 23:56
  • ID:U34zUeAA0 #

最後のはシュレディンガーの猫っぽい?
実際にどちらが上だったのか確認して
当事者の中で『事実』が確定するまで
可能性はいくらでも変化しうるみたいな

18

18. 匿名処理班

  • 2016年08月04日 23:59
  • ID:XjEkpX7D0 #

※10
時間の流れは普遍じゃないよ
異なる系で時間の進み方が違うのは実証されてる

例えばGPS衛星は地上と比べて、速度の差と重力の差によって時間の流れが速くなっているので、GPS衛星の時計はほんのわずかだけど遅く進むように設定されてる。

今のところ相対性理論がこの異なる系の時間のズレを一番よく説明できているという話

19

19. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 00:03
  • ID:enWaepgv0 #

※10
曲がってるのは空間そのもの

20

20. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 01:18
  • ID:KLA.hHS20 #

※13
速度が"ある一定時間"に"どれだけ移動するか"の割合を示してるというのはご承知の上だと思う。
ここでE君が、光を様々な速さで追いかけながら観測してるとしよう。
1度目の試行では、E君は光と同方向に時速10kmで進みながら、光の速度を計測した。
そして、2度目の試行では、E君は移動速度を時速1225kmに変えて観測した。
しかし、結果を見てみると、どちらの測定結果でも光の速度は一定であった。
試行2では時速1215km分遅く観測されるはずなのに、だ。
速度が変わらないのであれば、時間の流れが変わっていると言うことになる。
つまり、E君の移動速度が速くなった分、E君にとっての時間の流れは遅くなっていたわけだ。

21

21. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 07:25
  • ID:O5e9HLDk0 #

ワハハ、読んでもわからない!(笑)

22

22. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 07:49
  • ID:1Ffs6T.q0 #

丁寧な解説ありがとう。
だがわからん!!
時間が変わるのが理解できない凡人です
成長まで遅くなるの?なんで??細胞にまで時間の流れは作用するの?

23

23. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 08:38
  • ID:j2vYY4Ig0 #

有名な思考実験だね。
1が光速度不変の原理
2がガリレオの相対性原理を発展させたモノ。
3は「時空」が重力や速度によって相対的なモノである事を示すモノ
4が自由落下による仮無重力状態を示す思考実験、これが一般相対論へと繋がる。
5はEPSパラドクスとして発表されたモノの変形版だね。
 「同時」とは何か?
 と言う点で地味にこの思考実験は危なっかしいパラドクスだ。

24

24. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 09:11
  • ID:WuhfclmT0 #

※12
多分ニューロンみたいなものと言われる宇宙は宇宙の泡構造と呼ばれる宇宙ですよね。
あれは地球から観測できる光をプロットしたものです。観測により分布が均一ではない事を示してます。
一方この相対性理論を用いた宇宙のモデルは観測された銀河団を相対性理論で逐一計算し重力の強弱を可視化したものだと思われます。

ですので同じ地図を番地で書いているか標高を3D化して立体に見せてるかの違いだけだと思います。

25

25. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 11:37
  • ID:8YUB0eSc0 #

>>17
シュローディンガーの猫以前に量子論ってちゃんと書いてあるでしょ

26

26. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 11:51
  • ID:dmX0eFPF0 #

※14
この説明ではわかるはずもないよ。
1の思考実験はまず、電磁気学の公式に光速(電磁波)の値が定数として入っているということが頭に入ってないと。
そしてそれがどうつながるかというと、仮に光速で宇宙を突き進む宇宙船の中で物理学者が「よし!一から実験で物理学を作り上げよう!」と球を転がしたり振り子振ったりして教科書を書き上げたとすると、その教科書の電磁波の項目には同じように光速の定数が入っているはず=誰から見ても光速が同じ。

じゃあ時間ズレてんじゃん。

ここが凡人からするとぶっ飛んでる発想だよね。

27

27. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 13:48
  • ID:K4LEZr5Q0 #

犬が西向きゃ、尾は東…
なんてのも、1つの思考実験なんだろうなぁ?

28

28. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 16:14
  • ID:vvVAkJe30 #

統一理論はいつになるやら
超弦理論なんていつまでも完成しそうにないし
宇宙の仕組みなら多元宇宙論の方が事実に近いっぽい感じがする

29

29. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 16:17
  • ID:rPB7Ruf10 #

光の速さで体を震わせたら
すんごい長生きできるのかな

30

30. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 17:38
  • ID:vC6UjCA40 #

移動しながら光の速さを観測してもその速度は一緒というのがわからない。
光と同じ方向に進んでる場合、時間の話はつじつまが合うが、光が自分の進行方向と逆方向に進んでいる時でも観測結果は同じということだよね。
でも止まってる人から見たとき全方位の光の速さは同じで、進んでいる人からも全方位同じ?
この辺で頭がパンクするw

31

31. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 20:04
  • ID:WSeR7uXF0 #

「同じ時間」という概念が、慣性系によって違う(特殊相対性理論)。観測者からの距離に応じて時間軸っぽいのがツジツマが合うようにずれて光の速度がおんなじになる。時間の進み方が遅くなるとか早くなるとか表現は微妙。

32

32. 匿名処理班

  • 2016年08月05日 21:43
  • ID:JIEXbO0h0 #

※24
>同じ地図を番地で書いているか標高を3D化して立体に見せてるかの違いだけだと思います。
じゃあそれを重ねて見せて欲しいと思うんだ
番地の町内地図と高低差の地図は重なるものだよ
光学観測による星の分布と空間歪曲も同じだよ

天の川銀河の位置、あるいはシリウスでもなんでもいい
目標物を示してくれないか
縮尺が同じなら簡単だし、異なっても「この部分の拡大図」と言えるだろ
同じ宇宙をモデルにしてるんだし可能だろ

33

33. 匿名処理班

  • 2016年08月06日 10:50
  • ID:DzX.5ZAD0 #

宇宙の一番離れた端から端まで(地球→月でも)を、一瞬で移動することを想像できる。
よく言われている、人間が想像できるものは〜 が本当だったら光の速さを超えられる日がくる。はず…

34

34. 匿名処理班

  • 2016年08月06日 21:27
  • ID:fnZJ1dQP0 #

なるほどわからん。

35

35. 匿名処理班

  • 2016年08月07日 01:19
  • ID:fsYLJnkw0 #

昔からよく思うのは、テレパシーなるものがあったとして、それが光速を超える速さで情報を伝達できるのか、ってことだな。突き詰めてたら今ごろ俺もなんらかの理論体系を。。

36

36. 匿名処理班

  • 2016年08月07日 11:37
  • ID:VJS.8qcE0 #

離れた場所における時間の同時性がないのなら、情報やモノが一瞬で伝わるとかテレポートするとか、の「一瞬」ってなんなんだという話になる。特にモノに関しては、別の慣性系から見れば、この世にダブって存在していたり、この世から存在が消えてたりする時間があることになる。この点、よく聞く「量子テレポート」とかいうのはどういうものなんだろう。

37

37. 匿名処理班

  • 2016年08月23日 11:59
  • ID:1.33TS340 #

なんで光のはやさが時間なの?

38

38. 匿名処理班

  • 2016年09月10日 19:47
  • ID:oeagkJls0 #

ダンケダンケ?(難聴)

39

39. 匿名処理班

  • 2016年12月28日 17:15
  • ID:QnW776Ml0 #

全部想像じゃないか。
これじゃ正しい検証ができてるとは思えない。

40

40. 匿名処理班

  • 2017年02月26日 10:20
  • ID:WJ8C88jT0 #

想像して、予言して、理論立ててから検証、探す、実験するんだよ
そうしないと、たとえば粒子は小さいから当たりをつけておかないと探すのが大変だったり、見つけたものが本当にそれなのか性質を調べることで確認できなくなっちゃう

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