光速不変の原理

走っているバスの後ろの席から、前の席の友だちにボールを投げるところを想像してみましょう。同じバスに乗っている友だちから見ると、ボールはごく普通の速さで飛んできます。ところが、窓の外からこの場面を見ている人には、違って感じられます。

外から見ると、ボールにはバスの走る速さまで上乗せされて飛んでいくからです。バスが速いほど、ボールも速く見えます。私たちが暮らす世界では、速さはこのように足したり引いたりすればぴったり合います。

自転車で友だちに追いつくときも同じです。友だちと並んで同じ速さで走ると、友だちは止まっているように見えますよね。誰がどんな速さで動いているかによって、同じ物体の速さが違って見えるのです。

だから速さを測るときは、いつも「誰が見ているのか」を一緒に考えます。この足し算のルールは、ボールでも車でもよく当てはまります。ところが、たった一つだけ、このルールに従わないものがあります。

今度は同じバスの中で、ボールの代わりに懐中電灯を前に向けて照らしてみましょう。さっきのルールどおりなら、光もバスの速さの分だけ速くなるはずです。ところが、実際に測ってみると、そんなことは起こりません。

バスの中で測っても、窓の外に立って測っても、その光の速さは同じ値になります。光に向かって走っても、光に背を向けて逃げても、結果は変わりません。ボールには通用した足し算が、光の前ではぴたりと止まってしまうのです。

光の速さは、真空中で秒速約30万キロメートルです。1秒間に地球を7周半ほど回れるほどの速さですね。この値は、測る人がどれだけ速く動いていても、同じ数字になります。

最初は、測定装置がおかしいのだと考えた人もたくさんいました。しかし、方法を変えて何度測り直しても、結果は同じでした。結局、光の速さは特別なのだと受け入れられるようになりました。

ここで不思議なことが出てきます。速さとは、進んだ距離を、かかった時間で割った値ですよね。速さが変わらないのだとしたら、代わりに何かが変わらなければなりません。

その答えは、私たちが変わらないと信じていた時間と長さです。バスに乗っている人と道端に立っている人とでは、時計の進み方が少しずつ違います。光の速さを守るために、時間と長さが代わりに伸びたり縮んだりするのです。

ただし、この原理は真空中を進む光についての話です。水やガラスの中を通るとき、光はこれより遅く進みます。また、バスくらいの速さでは、時間のずれがあまりにも小さくて、私たちの目にはとらえられません。

ですから日常生活では、投げたボールのように速さを足したり引いたりしても問題ありません。光に近いほど速くなったときに、ようやくこの話が目の前に現れ始めます。