相対性理論を日常の中で感じる8つの方法

　1905年にアルバート・アインシュタインが唱えた相対性理論は20世紀科学の中でも最も有名な理論だろう。この理論は時空における物理現象を説明する理論で、ブラックホールの存在を予言したり、重力で光が曲がることを予測したりと、さまざまな物体の振る舞いを説明してくれる。

　だが、その名が一般にもよく知られている事実とは裏腹に、それを日常で感じる機会は少ないかもしれない。そこで、我々の身近で相対性理論が利用されている8つの事例を紹介しよう。

1. GPS

　GPSを利用したカーナビは人工衛星を介して正確な現在位置を把握することができるが、ここで相対論的効果が考慮されている。これは人工衛星が光速とまでは行かないまでも、非常に高速で移動しているからだ。

　人工衛星は地上20,300kmの高度を時速10,000kmで飛んでおり、毎日4マイクロ秒（1マイクロ秒＝100万分の1秒）の時間の遅れが発生している。さらに重力の影響も加味すると7マイクロ秒の遅れとなる。極わずかな誤差に思えるかもしれないが、これを無視した場合、1日が過ぎればカーナビは0.8km先のガソリンスタンドを8km先にあると表示するようになるだろう。

2. 電磁石

　磁力は相対論的効果の1つである。そのため発電機がきちんと機能し、我々に電気を供給してくれるのも相対性理論のお陰だ。

　巻き付けたワイヤーを磁界の中で動かせば、電流が発生する。ワイヤー内の荷電粒子は変化する磁界の影響を受けており、荷電粒子が動くことで、電流が発生するからだ。

　しかし、とりあえずワイヤーは動かさず、磁石が動いているところを想像して欲しい。この場合、ワイヤー内の荷電粒子が動かないため、磁界による影響もないはずだ。だが、実際には影響は消えておらず、電流は流れている。このことは、絶対的な基準座標系など存在しないことを示している。

　電磁石がきちんと機能するのは相対性のお陰だ。直流の電荷がワイヤー内を流れるとき、電子はその物質を漂っているが、通常、ワイヤーは電気的に中性に見える。これは陽子（正電荷）と電子（負電荷）の数がほぼ釣り合っているからである。しかし、その隣に別のワイヤーを置くと、電流の流れの方向によって、引き合うか、または反発する。

　電流が同じ方向に流れている場合、最初のワイヤー内の電子から見れば、近づけたワイヤー内の電子は動いていない。一方で電子から見れば、両ワイヤー内の陽子は移動している様に見える。相対的長さの収縮のために、それらはより接近したのと同じことになり、ワイヤーの長さ当たりの電荷は正電荷が大きくなる。すると2本のワイヤーは反発する。

　それとは反対に、電流が逆方向に流れている場合は引き合う。これは最初のワイヤーから見た場合、別のワイヤーの電子はより密集しており、負電荷を生み出すからだ。すると最初のワイヤー内の陽子は正電荷を作り出し、反対の電荷が引き合うことになる。

3. 金の黄色

　大抵の金属が輝いているのは、原子の中の電子が別のエネルギーレベル、すなわち”軌道”から跳ねているからだ。より長い波長においては、金属にぶつかった一部の光子が吸収され、再放射される。しかし、ほとんどの可視光は単に反射されるだけだ。

　金は重原子であるため、内部電子は相対論的質量の増加や長さの収縮が意味をなすほどに速く移動している。その結果、電子はより短い経路にある原子核の周囲をより大きな運動量でスピンする。内部軌道にある電子は、外殻電子のものと近いエネルギーを有しており、吸収反射される波長はより長くなる。

　光の波長が長い場合、通常なら反射される可視光まで吸収されることになる。また、このときの光のスペクトルは最も青いものだ。白い光は、虹色の全てが混じったものだが、金の場合、光が吸収され、再放出されるときの波長は通常より長い。このことは、目に見える混ざり合った光波の中でも青色とスミレ色は見えにくいことを意味する。そして黄色、オレンジ、赤の光は青よりも長い波長を持つため、金が黄色っぽく見えるのだ。

4. 金の腐食耐性

　金の電子に対する相対論的効果は、金が腐食や他の物質と反応しにくい原因も説明する。金は外殻の中に1つしか電子を持たないが、カルシウムやリチウムのようには反応しない。金の電子は、通常よりも”重い”ため、原子核の近くに留まる。これによって、最も外側にある電子の位置が、別の物質と反応可能な位置でない可能性が高まるのだ。

5. 水銀が液体である原因

　金と同様に、水銀も重元素である。そのため、電子はその速度とその帰結としての質量の増加のために、原子核の近くに留まっている。しかし、水銀の場合、原子の結合が弱い。これが原因で水銀は低い温度でも溶け、液体として存在する。

6. 旧式テレビ

　比較的最近まで大抵のテレビがブラウン管を利用したものだった。ブラウン管は、蛍光面の電子を大きな磁石で発火させることで機能する。それぞれの電子が画面の後ろに当たると、輝く画素を作り出す。映像を生み出すために発火した電子は、光速の最大30パーセントの速度で移動する。その場合の相対論的効果は無視できないものであり、発火用磁石の製造にあたっては、相対論的効果を考慮しながら行う必要があった。

7. 光

　もしアイザック・ニュートンが考えた通り、絶対静止座標系が存在するのであれば、現代の科学は光について理論を再構築しなおさなければならない。なぜなら光が存在できなくなってしまうからだ。

　その場合、光だけでなく磁気も存在しなくなる。なぜなら相対性は電磁場が、瞬時ではなく有限の速度で変化することを示しているからだ。もし相対性理論の成立が求められないのなら、電場は電磁波という形態をとらずに瞬時に移動できる。その場合、磁場や光さえも不要になってしまう。

8. 原子炉設備と超新星爆発

　　相対性は質量とエネルギーが互いに変換されうる理由でもある。これは原子炉が機能し、太陽が輝く上で不可欠だ。また星の死に際に発生する超新星も、これによって説明される。

　超新星は、十分な質量を持った恒星の核において、相対論的効果が量子効果を上回ることで発生する。これによって、自身の重さに耐えきれない星が急激な崩壊を引き起こし、最終的にずっと小さく固い中性子星が誕生する。

　超新星では、恒星の外層が核の部分まで崩壊した後、大規模な爆発を引き起こし、鉄よりも重い元素を作り出す。我々の周りに存在する重元素のほぼ全てが超新星によって作られたと考えられている。さらに人間自身も超新星によって作られ、まき散らされた物質でできている。相対性が存在しなければ、最も質量の大きな星でさえ、一生の最後に爆発を起こすことがないまま白色矮星となるだろう。つまり、我々も存在しなかったはずだ。

via:livescience・原文翻訳：hiroching

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