相対性理論

1905年にアインシュタインは、重要な論文を発表した。その中で彼は2つの重要な原理を提唱している。1つ目は光速度不変の原理といい、2つ目は特殊相対性原理または共変性の原理とよばれる。光速度不変の原理というのは、あらゆる慣性系から観測する光の速度は一定であるというものである。この一見不思議な結果はマイケルソン=モーリーの実験によって支持されている。特殊相対性原理というのは、あらゆる慣性系は同等であり、どの慣性系でも同じ物理法則が成立するというものである。相対論以前の考え方では、2人の観測者がいて、一方が静止し、もう一方がうごいているとすれば、うごいている方にとっては光速度が変化するとともにローレンツ短縮の分だけ長さの測定をまちがえる。結果として測定される光速度が同じになる。しかし相対論の考え方では、両方の観測者が「自分は静止している」と主張する等しい権利をもつ。双方が自分は静止しているとする座標系で測定をおこなうことができ、どちらも同じ光速度を測定し、どちらにも測定のまちがいなどはない。各々の観測者の座標系はある座標変換で変換される。この変換はすでに知られていたローレンツ変換であったが、アインシュタインによって新しい解釈があたえられた。ローレンツ変換のもとで光速度は不変である。

特殊相対性理論による変換では、運動している物体での長さがかわるだけでなく、時間も質量もかわる。観察者に対して、相対運動をしている時計は、g因子だけおそくすすみ、質量はg因子だけ増加する。この時計の遅れはウラシマ効果とよばれる。当時発見されたばかりだった電子は、このことを立証する手段となった。放射性物質から放出される電子は光速に近い速さをもっている。したがってg因子は、ときには2にもなり、電子の質量は2倍にもなる。

高速でうごく電子の質量は、磁場をかけたときに軌跡がまがる曲率を測定することによってえられる。質量が大きいほどまげられる量は小さい(→ 磁気)。実験はアインシュタインの予言をみごとに立証した。加速された電子の運動エネルギーは、E=mc²という公式のとおりに、質量に転換されたのである(→ 原子：核エネルギー)。特殊相対性理論は、うごいている水の中での光速に関する実験や、運動する物体における磁力に関する実験などによっても実証された。

1915年、アインシュタインは、たがいに加速度をうけている物体をあつかう一般相対性理論を完成、16年に発表した。一般相対性理論は、特殊相対性理論と重力の法則との間にのこっていた不一致を解決しようとするもので、等価原理を基礎に重力についてまったく新しい定義をおこなった。等価原理とは、重力から生まれる力と加速度によって生まれる力とはすべての点において等価であるというもので、実験的にこの2つの力を区別することは不可能である。特殊相対性理論で、たとえば、なめらかなレールの上をはしる列車にのっている観測者は、静止しているのか一様な速さで運動しているのかを実験的に決定することはできないとのべた。一般相対性理論では、その列車が加速されたり、減速されたり、カーブをまがったりしたとき、のっている観測者はそのときにうける力が重力からくるのか、加速度からくるのかを区別することはできない、としたのである。

一般相対性理論は、多くの方法での確認がつづいている。たとえば、太陽のような質量の大きな物体のすぐ近くでは、光がまげられるはずである。これを実証するため、太陽のすぐ近くにあらわれる星の観測がおこなわれ、1919年と21年の皆既日食が利用された。皆既日食のときには、星の光が太陽光の輝きにさまたげられずに観察できるからである。遠征隊が組織されて日食時の星の位置が測定され、それが太陽から遠いところにあらわれる数カ月後の夜に観測された位置と比較された。一般相対性理論では、太陽のすぐ近くの星の位置が1.745秒の角度だけずれる計算であった。近年これに匹敵する観測は、電波望遠鏡の干渉計をつかって(→ 電波天文学)、遠いクエーサーからの電波の偏位を観察することによっておこなわれた。測定結果は1%以内の精度で理論の予測値に合致した。ほかに一般相対論の検証としては、水星の近日点の移動、重力場による時計の遅れなどがあるが、いずれも一般相対論の予言の正しさが確認されている。

重力場をふくんだ大統一理論や万物理論が未完成である現時点においては、2つの相対論は、量子論やゲージ理論などとともに、現代物理学をささえる大きなものである。