大人の教養として｜相対性理論を「動く光時計」から学び直す

相対性理論は「速く動くと、時間や長さの見え方が変わる」ことを述べた理論です。この講座では有名な結論を覚えるのではなく、なぜそうならざるを得ないのかを、ご自分の手で追えるところまで進みます。

つまずきの多くは、話の順番にあります。「時間が伸びる」という結論だけを先に聞いてしまうと、どうしても意味が取れません。出発点はもっと素朴な事実、「光の速さは、誰から見ても同じ」というただ一点です。ここで、床と天井に鏡を置いて光を往復させる時計を考えてみます。止まって見ている人にとって、電車の中の光はまっすぐ上下しているのではなく、電車が進んだぶんだけ斜めに進みます。道のりは長いのに、光の速さは同じ。ならば、割り算の答えである「かかった時間」のほうが伸びるしかありません。時間が伸びるのは結論であって、前提ではなかったのです。

この図が腑に落ちると、あとは直角三角形の話です。斜めの道のり、まっすぐの道のり、電車が進んだ距離。三平方の定理をあてはめるだけで、教科書に載っているあの式が自分の手から出てきます。授業では、この導出を必ずご一緒に手を動かして行います。

相対性理論は、こんなところにつながっています。

• カーナビとGPS
  衛星の時計は地上とわずかにずれます。相対論の補正を切ると、位置が一日で十キロ近くずれてしまいます。
• 太陽と原子力
  質量がわずかに減ってエネルギーに変わる。太陽が光り続ける仕組みも、原子力発電も、同じ一本の式の上にあります。
• 宇宙とブラックホール
  重力が強いところでは時間の進み方まで変わる。一般相対性理論が描く、曲がった時空の姿です。

特殊相対性理論を通ると、一般相対性理論・宇宙論・素粒子物理へ進む道がひらけます。物理学科で学ぶ内容の、ちょうど入口にあたる単元です。

なお、受講に前提知識は必要ありません。使う数学は三平方の定理と平方根が中心で、必要に応じてその場で補いながら進められます。

よくある質問

Q．数学は三平方の定理くらいしか覚えていません。
A．それで十分です。特殊相対性理論の中心にある式は、直角三角形ひとつから導けます。授業でも、その導出を一緒に手を動かして確かめます。

Q．一般相対性理論まで学べますか？
A．はい。特殊相対性理論を固めたうえで、等価原理から時空の曲がりまで、数式を最小限にした形でご案内できます。ご希望があればテンソルを本格的に扱うこともできます。

Q．「双子のパラドックス」がずっと分かりません。
A．よくいただくご質問です。どちらが向きを変えたのか、という一点で決着します。図を描きながら、納得できるまでご一緒に整理します。

Q．物理は学生時代から苦手でした。
A．相対性理論は計算量よりも考え方が主役の分野です。苦手意識のある方ほど、腑に落ちたときの手応えが大きい単元でもあります。

物理の学び進め方や料金・受講の流れは、物理の学び直し 個別指導のページでご案内しています。

※内容はお客様のご要望等によって変更することがあります。

・「時間が伸びる」「空間が縮む」の意味をきちんと理解したい方
・大学の講義や解説書で相対性理論に挫折した経験がある方
・宇宙やブラックホールに関心があり、その土台を知りたい方
・お子さまやお孫さんに聞かれて答えられるようになりたい方
・数式よりも、まず考え方から入りたい方

1)空間と時間
2)ニュートン力学
3)電磁波とエーテル
4)特殊相対性原理
5)ローレンツ変換
6)ローレンツ変換の4次元定式化
7)相対論的力学
8)電磁気学
9)一般相対性理論の概要（Ⅰ）
10)一般相対性理論の概要（Ⅱ）