特殊相対性理論

時速100kmで走る電車の中で、前に向かって時速50kmで野球のボールを投げたと想像してみてください。電車の外でじっと立って見ている人の目には、ボールは二つの速さが足し合わさった時速150kmで飛んでいくように見えます。私たちが暮らす日常の世界では、動いているもの同士の速さは、このように自然に足し算できます。

ところが、光は私たちの常識とはまったく違う振る舞いをします。光の速さに近いスピードで飛ぶ宇宙船の中で前に向けて懐中電灯をつけても、船内の人にも、外に止まっている人にも、光はどちらにも同じ秒速約30万kmで進みます。懐中電灯の光に宇宙船の速さが足されて、もっと速くなることは決して起こりません。

観測者が止まっていても、光に近い速さで駆け抜けていても、宇宙では光の速さは誰にとっても常に一定です。アインシュタインはこの不思議な現象を単なる目の錯覚ではなく、宇宙の絶対的な法則として受け入れました。そしてここから、時間と空間の驚くべき秘密が解き明かされていきました。

速さとは、動いた距離を、かかった時間で割った値です。では、どんな状況で測っても光の速さがいつも同じ数字になるとしたら、何が変わらなければならないのでしょう。結局、観測者の動きに応じて、距離と時間のほうがのびたり縮んだりして、つじつまを合わせるしかありません。

光の速さに近いスピードで飛ぶ宇宙船を、外から見ているとしましょう。すると、宇宙船の中の時計は、外にいる私たちの時計より時間がはっきりとゆっくり流れているように見えます。この不思議な現象を、物理学では「時間の遅れ」と呼びます。

それだけではありません。宇宙船の見た目にも驚きの変化が起こります。飛んでいく方向に沿って、宇宙船の前後の長さがほっそりと縮んで見えるのです。これを「長さの収縮」と呼びます。速さが光の速さに近づくほど、時間はほとんど止まるかのように遅くなり、長さはぺたんこに縮んでいきます。

もう少し正確に言うと、物体が光の速さに近づくほど、エネルギーをいくら注ぎ込んでも、速さはなかなか増えなくなります。質量をもつ物体を光の速さまで押し上げるには、宇宙全体をかき集めても足りないほどの無限のエネルギーが必要です。だから、質量のあるものは、どんなものでも光より速くなれません。

この過程でアインシュタインは、質量とエネルギーが実はコインの裏表のように一つのものだと見抜きました。これが、世界でいちばん有名な物理の式、質量とエネルギーの等価式(E=mc²)です。ほんのわずかな質量でも、光の速さの2乗という巨大な数がかけられると、想像を超える莫大なエネルギーに変わりうる、という意味です。

この理論に「特殊」という名前がついたのは、一定の速さで動く観測者(慣性系)どうしの関係だけを扱い、重力を除いた特別な場合だからです。加速する物体の動きも、この理論で計算することはできます。のちにアインシュタインは、重力や加速度まで含めて、時空が曲がると考える一般相対性理論へと考えを広げていきました。