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ガリレオの相対性理論
 アインシュタインの相対性理論について、素人が分かりにくいのは、ガリレオの相対性理論について十分に理解してないからだと思います。

 先日、妻の京子に相対性理論の話しをしました。その前提として、ガリレオの相対性理論を話しました。ところが、そのことも十分には理解していなかったようで、僕が改めて話しをすると驚いたように聞き入っていました。
 妻の京子は僕が云うのもなんですが、理解力が悪いわけではありません。普通以上だと思います。その妻がよくガリレオの相対性理論を十分に理解してないということは、多くの人が理解していないということだと考えられます。たから、アインシュタインの相対性理論について話しをするときには、ガリレオの相対性理論をきちんきちんと丁寧に丁寧に話す必要があるのではないかと思われます。

 多くのアインシュタインの相対性理論の入門書では、ガリレオの相対性理論は簡単にふれられていて、常識の範囲だというふうに考えているふしがあります。アインシュタインの相対性理論の本を数多く読んできました。しかし、ガリレオの相対性理論については詳しくは説明されていません。それは、ガリレオの相対性理論というのはもう常識だと考えているような偉い学者さんが書いているからです。そのような学者さんの仲間、友人たちももうガリレオの相対性理論は常識なんだと思っているでしょう。しかし、それは庶民にとってはまだまだ常識ではないのです。

 コペルニクスが地動説を唱えたときに、多くの反対者が次のような異論を唱えました。地球が動いているとしたら、物を放り投げた時にそれは同じところに落ちてこないではないか。放り投げれば地球がそのあいだに動いているのだから、ものは別のところに落ちていくのではないかというのです。
 コペルニクスはそれに十分な反論はできなかったといいます。空気が一緒に動いているから物が同じところに落ちてくるのではというような幼稚な反論をしたということです。

 それに対してガリレオの相対性理論が登場します。
 私たちが車の中で物を放り投げることを考えてみましょう。車の中で上に物を投げてもそのまま下に落ちてきます。当然のことですね。しかし、車の外からそれを眺めたらどうなるのでしょうか。ボールは物は真上にではなく斜め方向に放物線を描いて進んでいきます。そしてうまい具合に投げた人のところに落ちてくるように見えるのです。

 車の中にいる人には、真上に放り投げたものが真下にそのまま落ちてくる、そのように見えますね。しかし車の外にいる人からにとっては斜め方向に物は投げられて、そして放物線をえがいて落ちてくるのです。
 車の中にいる人と、車の外にいる人では見方がまったく違ってくるのです。見る人によって、ちがうように見えるというのが相対性理論です。

 そのあたりを十分に考えたことのない人にとっては、ガリレオの相対性理論というのは常識ではないのです。コペルニクスの地動説に反対した人が、真上に投げたものが地球が移動するうちに別のところに落ちていくだろう、そのような考え方のほうが。一般の人にとっては常識なのです。

 もちろん地動説が正しいと思ってる人の方が圧倒的でしょう。それを否定する人はかなり変わった人です。しかし、それは地動説が正しいと言われているからであって、それを十分に理解しているわけではないのです。細かいことを言えば、多くの人が中世のコペルニクスに反対した人と同じような程度の考えしかもっていないのです。

 僕は、中学生か、高校一年生のころに古典物理学の完成という本だったと思いますが、そのような本を読みました。ガリレオの相対性理論、そのような言葉は使われていませんでしたが、そのことが書かれていました。いたく感心しました。

 そこにはおもちゃの汽車が載っていました。煙突があって真上に、ピンポン玉を打ち上げることのできるおもちゃの汽車です。その汽車がとまっていているときに、ピンポン玉を上に打ち上げると、もちろんそのまままっすぐ下に落ちてきて、煙突に収まります。そのおもちゃの汽車を走らせたままピンポン玉を打ち上げます。すると、そのピンポン玉は走って行く汽車に合わせて放物線をえがいて、そして見事に煙突に落ちてくるのです。そのような連続写真がその本にはのっていました。とっても興味を持って読んだ記憶があります。それが面白くて、僕は物理学に進むんだという気持ちを強くした覚えがあります。

 その話しを妻にすると、とても驚いていました。たぶん多くの人も知らないのでしょうね。

 列の話をしましょう。飛行機から爆弾を落すのです。飛行機の中の人が見ると、爆弾は真下に落ちていくようなに見えます。しかし、実際には飛行機は前へ前へ進んでいます。だから飛行機から落とされた爆弾は前の方に投げられるような感じで、放物線を描いて落ちていくのです。

 これは簡単に実験ができます。
 消しゴムを持ってみましょう。そしては30センチほど上から離してみます。真下に落ちますね。次に、手を飛行機が動くように右から左へ動かしてみましょう。左利きの人は左から右がいいかな。
 そして、動かしている途中で消しゴムを離すのです。消しゴムはどこに落ちましたか。離した地点の真下には落ちません。そのまま左の方向に進むようにして弧を描いて落ちていきます。

 これは慣性の法則といわれています。中学生で慣性の法則は学びます。しかし、実感として慣性の法則を理解している人は少ないように感じます。

 この慣性の法則をきちんと理解して、ガリレオの相対性理論をきちんと理解すること、それがアインシュタインの相対性理論を理解する前提なのです。アインシュタインの相対性理論は、ガリレオの相対性理論の否定の上に築かれているのです。ガリレオの相対性理論されも理解できない人が、アインシュタインの相対性理論を理解することはできないのです。

 ガリレオの相対性理論は目の前で実際に簡単な実験をすることができるので、理解がしやすいです。上で紹介した、消しゴムを落とす実験をやりながらガリレオの相対性理論を説明すれば、多くの人が理解してくれると思います。だから、ガリレオの相対性理論をきちんと目の前で実験をしながら理解させる。それを十分に理解できてアインシュタインの相対性理論に移ることができれば、アインシュタインの相対性理論もより分かりやすくなると思います。

 ガリレオの相対性理論の説明から始める、それがアインシュタインの相対性理論の分かりやすい入門書を作る一つのコツだと思います。


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Comment

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Re: 解りやすい説明です
コメント、ありがとうございます。

 おすすめの「相対性理論の初等講義」(東京図書)アマゾン中古で「可」でしたが、注文しました。
 ありがとうございます。
selfyojji | URL | 2013/05/26/Sun 13:13[EDIT]
解りやすい説明です
ガリレオの相対性理論の説明としはすごくわかりやすいですね。このような説明を中学校や高校ですればもっと物理好きが増えるんですが。
あと、きちんと数式のはいっている特殊相対性理論の入門書をお探しのようですが
私としては「相対性理論の初等講義」(東京図書)をオススメします。これを丹念によんでいけば特殊相対性理論は理解が可能です。残念ながら今は絶版になっており中古でないと手に入らないと思いますが。
| URL | 2013/05/26/Sun 02:54[EDIT]
もう一押し必要な気がします
参考:http://www1.harenet.ne.jp/~eijun/file01.pdf
もう一押し必要な気がします。
1.まず、観測する立場として特別な系は存在しないということの説明。
2.でも、任意に系を選んで観測してしまうと、事実に食い違いが生じる(電車の中ではボールは真下に落下するが、外から見ると放物運動をする。あるいは、電車の中では同時でないものが、外から見ると同時)のではないか、じゃあ真実はどっちなんだ?食い違う二つの観測結果が両方正しいなんておかしい!
3.確かにそうだけど、それは変数の値が違うだけで、ちゃんと変換すれば物理法則の形や保存量(もっというと因果関係も)は両者の間で食い違わない。事実というのは見かけの運動ではなく、そっちのほうを示すと考えるべきであり、目に見える事実というものが常に正しいとは限らないんだよ。
という展開のほうが良いと思います。結局、特殊相対論ってニュートンの体系に含まれる物理量だけじゃ不足だから、ちゃんと事実を説明できるように拡張しよう。でも、そうすると、時間や距離が観測系にとって変わってしまう。さて、時間や距離が誰にとっても同じという「常識」と、新しく出来た理論から導かれた結論のどっちを事実として信じるべきか?というところが最大の山だと思うので、もう少し掘り下げないと、後々パラドックスの辺りで挫折しそうな気がします(自分がそうでした)。

あと、いろいろ自信がなかったので、念のため調べているときに見つけた動画です。
http://www.youtube.com/watch?v=wteiuxyqtoM
頭で分かっていても、こうやって見せられるとセンスオブワンダーを感じますねぇ。光の速度は観測者に拠らないということを知った上で見ると、同時性の食い違いについてはこの映像一発で理解できそうな気がします。お勧めです。
通りすがり | URL | 2013/05/21/Tue 19:08[EDIT]
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