Name: アインシュタインは相対性理論をどう考えたか (How Einstein Thought of the Theory of Relativity)
Uploaded: 2024-11-24T19:06:31.000Z
Duration: 9 min 5 s

再帰代名詞

In 1895, a 16-year-old boy imagined himself chasing a beam of light.

1895年、16歳の少年が光線を追いかける自分の姿を想像した。

様態の副詞

This thought eventually changed the world forever.

この考えは、やがて世界を永遠に変えた。

少年の名はアルバート・アインシュタイン。

では、本当は何を考えていたのか？

And how could one thought change the world so thoroughly?

そして、たったひとつの思いが、これほどまでに世界を変えることができるのだろうか？

Well in this video we're discussing Einstein's theory of relativity and more importantly how he got there.

このビデオでは、アインシュタインの相対性理論について、そしてさらに重要なこととして、彼がどのようにしてそこに到達したのかについて論じる。

We cannot start talking about Einstein without discussing classical physicist Sir Isaac Newton.

古典物理学者のアイザック・ニュートン卿を抜きにして、アインシュタインを語ることはできない。

In 1687, Newton published his book Mathematical Principles of Natural Philosophy.

1687年、ニュートンは『自然哲学の数学的原理』を出版した。

In the book, he described history, laws of motion, and the law of gravity.

この本の中で、彼は歴史、運動の法則、重力の法則について述べている。

His book is considered one of the most important writings in the history of mankind.

彼の著書は人類史上最も重要な著作のひとつとされている。

After watching an apple fall, he asked himself a question.

リンゴが落ちるのを見て、彼は自問した。

If the apple falls, does the moon also fall?

リンゴが落ちたら月も落ちるのか？

These questions led him to discover the law of gravity.

こうした疑問から、彼は重力の法則を発見した。

According to his law of gravitation, every object in the universe enacts its own force of attraction on another object.

彼の引力の法則によれば、宇宙のすべての物体は、他の物体を引きつける力を持つ。

And this force is the reason why we are stocked on earth, why the moon orbits the earth, and indeed why the universe exists.

そして、この力こそが、私たちが地球に住んでいる理由であり、月が地球の周りを回っている理由であり、宇宙が存在する理由なのだ。

But that didn't answer all of Newton's questions, like why do objects attract each other, what is the source of gravity, and why does Mercury's orbit jiggle?

しかし、なぜ物体は引き合うのか、重力の源は何か、なぜ水星の軌道は揺れ動くのか、といったニュートンの疑問のすべてに答えられたわけではない。

The rest remained a mystery until the era of Albert Einstein.

あとはアルベルト・アインシュタインの時代まで謎のままだった。

In 1915, Einstein published his theory of general relativity, or in other words, his In this theory, Einstein explained gravity and its source.

1915年、アインシュタインは一般相対性理論を発表した。

He answered all the questions that Newton couldn't, like Mercury's precession.

彼は、水星の歳差運動など、ニュートンができなかったすべての疑問に答えた。

Let's take a step back to 1905 to truly grasp where these different pieces of the puzzle come to life.

パズルのさまざまなピースがどこから生まれてくるのか、1905年までさかのぼって考えてみよう。

This year, Einstein published his theory of special relativity.

この年、アインシュタインは特殊相対性理論を発表した。

It deals with the speed of light and the motion of objects.

It was fine with non-accelerating objects, but the theory did not apply when gravity was present, or if the object was accelerating.

加速していない物体では問題なかったが、重力が存在する場合や物体が加速している場合には、この理論は当てはまらなかった。

He couldn't quite figure the rest out until one fine day in 1907.

1907年のある晴れた日まで、彼は残りのことを理解できなかった。

He was observing a window washer on a ladder and had an epiphany.

彼は梯子の上で窓拭きをしている人を観察していて、あることを思いついた。

He thought about what he would be experiencing while falling.

彼は落下中に経験するであろうことを考えた。

He imagined himself there and realized that while falling, the ground would not be pushing him so he would be in a free fall.

彼はそこにいる自分を想像し、落下している間は地面に押されず、自由落下していることに気づいた。

That put some of the pieces together, but still he wasn't fully finished.

その結果、いくつかのピースが集まったが、それでもまだ完全には仕上がっていなかった。

彼はまた落ちることを考え始めた。

This time he imagined himself in a room with no windows.

今度は窓のない部屋にいる自分を想像した。

On the surface of the earth, you would weigh whatever your weight is now.

地球の表面では、今の体重と同じ重さになる。

But imagine if the room was in a spacecraft, moving in an upward direction with the same 9.8 meters per second squared as here on the ground.

しかし、もしこの部屋が宇宙船の中にあり、地上と同じ毎秒9.8メートル四方で上方向に移動しているとしたらどうだろう。

In that moment, if you were to weigh yourself, you would weigh the same as you do on earth.

その瞬間、自分の体重を量れば、地上と同じ重さになる。

Einstein realized that the observer would not be able to tell if he's on a spaceship or on the surface of the earth.

アインシュタインは、観測者は自分が宇宙船に乗っているのか、それとも地表にいるのかわからないことに気づいた。

That is because he would be moving at the exact same rate of acceleration.

それは、彼がまったく同じ加速度で動いているからだ。

There would be no way to tell the difference.

違いを見分ける方法はないだろう。

This phenomenon is called the equivalence principle, which states that an object that is accelerating free of any gravitational pull is essentially no different than the same object that is stationary but affected by gravity.

この現象は等価原理と呼ばれ、重力の影響を受けずに加速している物体は、静止しているが重力の影響を受けている同じ物体と本質的に変わらないというものである。

In other words, something moving in space with no gravity has the same mass as something on earth that is not moving.

言い換えれば、重力のない宇宙空間で動いているものは、動いていない地球上のものと同じ質量を持つ。

In his special theory of relativity, he could only deal with non-accelerating objects and the speed of light.

彼の特殊相対性理論では、加速しない物体と光速しか扱えなかった。

This means that at that point, he knew how to unify his theory of special relativity with gravity.

つまり、その時点で彼は特殊相対性理論と重力の統一方法を知っていたことになる。

幸運なことに、彼はそこで止まらなかった。

彼はまた別の思考実験をした。

This time he imagined what would happen if he pointed a laser beam from one side of the room towards the other.

今度は、レーザー光線を部屋の一方からもう一方に向けたらどうなるかを想像した。

If the room were in a spaceship that was moving upwards with the same acceleration rate as earth, the height of the beam would slightly be lower on the other side of the room.

地球と同じ加速度で上昇する宇宙船の中であれば、ビームの高さは部屋の反対側でわずかに低くなる。

As the floor moved up, it curved the light and caused it to bend down.

床が上に移動すると、光が湾曲して下に曲がる。

But this principle only applied in space.

しかし、この原則が適用されるのは宇宙空間だけである。

When he thought about the same experiment on earth, the light would appear to be straight.

地球上で同じ実験をすると、光はまっすぐに見える。

Of course, these two scenarios only happened in his brain.

もちろん、この2つのシナリオは彼の脳内でしか起こっていない。

Let's just take a brief moment to appreciate how brilliant he is to be able to conduct that experiment, all of that, in his brain.

その実験、そのすべてを彼の脳内で行うことができる彼がどれほど素晴らしいか、ちょっとだけ評価してみよう。

Einstein wasn't convinced though, as this violated the principle of equivalence.

しかしアインシュタインは、これは等価性の原理に反するとして納得しなかった。

The acceleration of the room on the spaceship was the same as under the influence of gravity.

宇宙船内の部屋の加速度は、重力の影響下と同じだった。

The height should be the same in both cases.

高さはどちらも同じでなければならない。

He realized that the only possibility could be that the light beam must be bending under the influence of gravity.

彼は、光線が重力の影響を受けて曲がっている可能性しかないことに気づいた。

しかし、どうしてそうなるのか？

この光の曲がりは何を意味するのか？

Well, thanks to his incredible imagination and deep thinking, he came up with an answer.

彼の驚くべき想像力と深い思考のおかげで、彼は答えを導き出した。

He considered that maybe the light was following the shortest and straightest path that it could, but that in space, there was no visual, objective straight path and maybe there was an inherent curvature.

彼は、光は可能な限り最短でまっすぐな経路をたどっているのかもしれないが、宇宙空間では視覚的で客観的なまっすぐな経路はなく、固有の湾曲があるのかもしれないと考えた。

This idea revolutionized the entire course of scientific history.

この考えは、科学史全体に革命をもたらした。

That space somehow gets curved in the presence of gravity and it creates an illusion that the light beam is being curved.

重力があると空間が湾曲し、光線が湾曲しているように見えるのだ。

He hypothesized that whenever matter or energy present in space, it creates a curvature.

彼は、空間に物質やエネルギーが存在すると、それが曲率を生み出すという仮説を立てた。

There's one really popular video on YouTube.

YouTubeでとても人気のあるビデオがある。

Imagine a trampoline with two types of masses, a heavy chunk of metal and a piece of marble.

重い金属の塊と大理石の塊という2種類の質量を持つトランポリンを想像してほしい。

When the metal is placed on the trampoline, it bends it.

金属をトランポリンの上に置くと、トランポリンは曲がる。

Then the piece of marble is rolled on the surface.

In this scenario, we can see that no force is acting on the piece of marble, but it is still revolving around the heavy metal.

このシナリオでは、大理石の破片に力は作用していないが、重い金属の周りを回っていることがわかる。

Einstein went even further and said that the same thing happens when the earth is orbiting the sun.

アインシュタインはさらに進んで、地球が太陽の周りを回っているときにも同じことが起こると言った。

The sun acts like a chunk of metal and creates a curvature in space.

太陽は金属の塊のような役割を果たし、空間に曲率を作り出す。

The same can be applied to all objects in the universe.

同じことが宇宙のすべての物体にも当てはまる。

So according to Einstein, matter and energy warp space-time, making nearby objects fall towards it.

つまり、アインシュタインによれば、物質とエネルギーは時空をゆがめ、近くの物体を時空に向かって落下させる。

Another remarkable part of his theory is that it doesn't just include the three dimensions of space, but also time.

彼の理論のもう一つの注目すべき点は、空間の3次元だけでなく、時間も含んでいることだ。

これが、私たちが時空という言葉を使う理由である。

しかし、時間はどのように作用するのだろうか？

Well, it comes from his previous theory, the theory of special relativity.

まあ、それは彼の以前の理論、特殊相対性理論から来ている。

The speed of light is the same for the observers in any frame of reference.

光の速度は、どの参照枠にいる観測者にとっても同じである。

Either the object is moving or in a state of rest.

物体は動いているか、静止しているかのどちらかである。

Again, imagine a light beam traveling from point A to point B.

もう一度、A地点からB地点に向かう光線を想像してみよう。

If we place a massive object like our sun between these two points, the sun will curve the path and the distance from point A to point B will increase.

この2点の間に太陽のような巨大な物体を置くと、太陽は進路を湾曲させ、A点からB点までの距離が長くなる。

So it will take more time for light to move from A to B than in the absence of the sun.

そのため、光がAからBに移動する時間は、太陽がない場合よりも長くなる。

But that concept violates the theory of special relativity, which says that the speed of light is independent of the frame of reference.

しかし、その考え方は、光の速度は参照枠に依存しないという特殊相対性理論に反する。

This means that regardless of whether the light beam is traveling freely or under the gravitational field, it must take the same time for it to travel from A to B.

つまり、光線が自由であろうと重力場下であろうと、AからBへの移動には同じ時間がかかるということだ。

So for special relativity to be valid, time must slow down.

だから、特殊相対性理論が成立するためには、時間が遅くならなければならない。

In other words, time moves slowly when you are near a massive object like in space, and moves faster when you are away from it.

言い換えれば、宇宙空間のように巨大な物体の近くにいると時間はゆっくり進み、そこから離れると速く進む。

For example, time for us on Earth is slower than the astronauts on the ISS, which has been directly confirmed through many experiments.

たとえば、地球にいる私たちの時間は、ISSにいる宇宙飛行士よりも遅い。

This phenomenon is called gravitational time dilation.

この現象は重力による時間拡張と呼ばれる。

Back a century ago, no one was taking Einstein's ideas seriously.

100年前、アインシュタインの考えを真剣に受け止める人はいなかった。

But just four years after the publication of his general theory of relativity, astronomer Sir Arthur Eddington performed an experiment to test it out.

しかし、一般相対性理論の発表からわずか4年後、天文学者アーサー・エディントン卿がそれを検証する実験を行った。

If the general relativity was correct, then the sun would warp the space around it, causing the light beams to bend and the position of the stars behind the sun to change.

もし一般相対性理論が正しければ、太陽はその周りの空間をゆがめ、光線が曲がり、太陽の後ろにある星の位置が変わることになる。

Eddington followed this principle, and he found that Einstein was right.

エディントンはこの原則に従い、アインシュタインが正しいことを発見した。

That phenomenon is now called the gravitational lensing.

この現象は現在、重力レンズと呼ばれている。

This was the first proof of Einstein's theory, and it took the world by storm.

これはアインシュタインの理論の最初の証明であり、世界を席巻した。

Today we have found lots of evidence that proves his theory.

今日、私たちは彼の理論を証明する多くの証拠を発見した。

The predictions made by his theory a hundred years ago are now being confirmed today.

100年前に彼の理論によってなされた予測は、今日確認されつつある。

They have created a new window to look into the universe.

彼らは宇宙を覗く新しい窓を作ったのだ。

Thank you so much for watching this video.

このビデオを見てくれてありがとう。

I'm Harry and I'm so glad you made it to the end.

ハリーです。最後までよく頑張ってくれました。

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