アインシュタインの特殊相対性理論が予測する「長さの収縮」は実在する現象であるが、実際に高速で移動する物体を観察すると、収縮して見えるのではなく回転して見えるという驚くべき事実がある。この視覚効果は1959年にペンローズとテレルによって予測され、「ペンローズ・テレル効果」と呼ばれている。本動画で紹介される最新の実験は、この効果を半世紀以上経ってついに実証したものである。光速近くで移動する物体からの光が観測者に届くまでの時間差により、物体は実際には長さが収縮しているにもかかわらず、回転しているように見える。この実験は立方体を手動で移動させ、ピコ秒レベルで光子の到達時間を測定することで、理論と完全に一致する結果を得た。アインシュタインの理論から100年以上経った現在でも、我々は彼が教えてくれた現実の本質を理解しようと努力し続けている。
アインシュタインの理論と現実の関係
アルベルト・アインシュタインは、空間と時間についての私たちの理解を完全に変えました。そして彼が特殊相対性理論と一般相対性理論を発展させてから100年が経った今でも、私たちはそれらが何を意味するのかを本当に理解するのに苦労しています。最も難しい部分の一つは、物体が光速に近い速度で移動するときに何が起こるかを理解することです。なぜなら、その時には奇妙なことが起こるからです。
今日は、アインシュタインの理論の本質的な効果についての非常にクールな実験的実証をお見せします。これは心を曲げるだけでなく、現実そのものを曲げるように見えるものです。この新しい論文はペンローズ・テレル効果についてですが、これについて話す前に、まず少し文脈を説明する必要があります。
アインシュタインの特殊相対性理論は、最も注目すべき二つの予測をしています。一つ目は時間の遅れ、もう一つは長さの収縮です。時間の遅れとは、物体がより速く移動すると、その内部時間がより遅く経過することを意味します。長さの収縮とは、同じ高速移動する物体が短くなることも意味します。短く見えるということではなく、実際に短くなるのです。
アインシュタインへの批判と検証
アインシュタインが空間と時間についての理論を提唱した後の数十年間、物理学者たちはそれが正しいかどうかを問い続けました。1931年には、ある科学者グループが「アインシュタインに反対する100人の著者」という本を出版するまでに至りました。これは、アインシュタインが理論を提唱してから20年以上経っても、なぜ人々がアインシュタインの洞察を拒絶したのかについての興味深い歴史的まとめです。
彼らの中には、アインシュタインの数学が間違っていると主張する人もいました。数学は正しいが、自分たちの方が先にやったと言う人もいました。しかし最も頻繁な反論は、アインシュタインの理論は単なる哲学的構築物だと考えていたことです。彼らは特殊相対性理論が、私たちが物事を見る方法について何かを教えてくれるものだと考えました。それらが実際にどうであるかについてではなく、です。
まあ、彼らは間違っていました。私たちは長さの収縮が実在することを知っています。移動する物体は本当に短くなるのです。これをテストするのは難しいです。なぜなら、何かを光速近くまで加速するのが難しいからです。しかし私たちは粒子衝突型加速器でこれを行っています。
そして長さの収縮の素晴らしい証拠は、金や鉛のような大きな原子核の衝突から来ています。これらはLHCで時々行われています。ほら、ただそこにある原子核は基本的に球形です。二つの球をぶつけ合うと、構成要素の衝突において平均してどれだけのエネルギーが集中するかを計算できます。
しかしアインシュタインは、これらの原子核が非常に速ければ、それらは収縮すると言っています。そしてそれはエネルギー密度を大幅に増加させます。衝突結果を正しく得て、データと一致させたいなら、長さの収縮が必要なのです。これが長さの収縮が実在することを私たちが知っている方法です。
ペンローズ・テレル効果の発見
しかしここにひねりがあります。もしあなたが実際に原子核が飛んでいくのを見ることができたとしても、それが長さ収縮しているのを見ることはできないでしょう。
ですから、アインシュタイン批判者たちは二重に間違っていたのです。彼らは長さの収縮は実在しない、それは見えるものだと考えました。真実は、長さの収縮は実在するが、それは見えるものではないということです。代わりにあなたが見るのは、物体が飛び去る際に回転しているように見えることです。この現象がペンローズ・テレル効果と呼ばれるもので、これが新しい実験で今研究されたものです。
数学はやや複雑ですが、ペンローズ・テレル効果は新しい論文のこの画像でかなり理解しやすくなります。問題は、物体が通過するとき、この場合は左から右へ、物体から散乱する光、または物体から放出される光は、カメラやあなたの目に同時には到達しないということです。
むしろ、物体の後方からさらに遠くから来る光は後で到着します。しかし光が移動している間に、物体も移動します。正味の結果は、物体が回転しているように見えるということです。
これは球体に対してどのように見えるかの例です。これは球体がそこにただあるときです。これは球体が光速の0.8倍から0.99倍まで加速した場合にあなたが見るものです。速度が上がるにつれて、より回転して見えることがわかります。
新しい論文の著者たちは立方体を使っています。ですからこれは、光速の0.8倍で移動した立方体について見えるものを示す別の短いクリップです。
実験の手法と結果
この新しい実験では、実際に立方体を光速まで加速させたわけではありません。それは残念ながらまだ実行不可能です。しかし彼らが代わりにしたことは、立方体を左から右へ段階的に手動で移動させ、そして同時にカメメラに到着した光を測定したことです。
これが実際にペンローズ・テレル効果を測定する理由を理解するのに少し時間がかかりました。それは、この効果が本当に物体の遠い側と近い側との間のこの時間遅延から来るからです。しかしそれは非常に小さな遅延なので、彼らは光子の到着を数ピコ秒のレベルで測定しなければなりませんでした。
そしてこれが、彼らがデータを組み立てたときに得られるものです。それは理論と完全に一致します。これはデタラメメーターで0点満点中0点です。これは本当にかわいい実験です。
これについて私が驚くべきだと思うことが二つあります。一つは、ペンローズ・テレル効果が1959年に予測されたことです。アインシュタインが理論を提唱してから半世紀以上後のことです。もう一つは、この実験を成功させるのにさらに半世紀かかったということです。
そしておそらくあと50年後には、ワープドライブを理解して、実際にほぼ光速で移動する立方体でこれを行うことができるでしょう。ですからここでの話は、アインシュタインが正しかったということではありません。アインシュタイン自身もこれを知りませんでした。ここでの話は、100年経った今でも、私たちは彼が現実について教えてくれたことを消化しようとしているということです。
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