It's always running forward without waiting for anyone or anything.

誰も何も待つことなく、常に前を向いて走っている。

But is time really like this?

しかし、時間は本当にこんなものなのだろうか？

Special relativity theory tells us that time is really not like this.

特殊相対性理論によれば、時間は実際にはこのようなものではない。

Time is not the same for all across the whole universe.

時間は宇宙全体で同じではない。

Different observers feel different times at different places.

見る人によって、感じる時間は違う。

So why is this?

では、これはなぜなのか？

How is this possible?

こんなことが可能なのか？

Let's see.

見てみよう。

Einstein's special relativity theory starts with two basic ideas.

アインシュタインの特殊相対性理論は、2つの基本的な考え方から始まる。

The first postulates that the laws of physics are the same in all frames of reference.

最初の仮定は、物理法則はすべての参照枠で同じであるというものだ。

Imagine your friend is standing at the platform of a train station and you are in a train traveling at a constant velocity.

あなたの友人が駅のホームに立っていて、あなたが等速で走る列車に乗っているとしよう。

Constant velocity means an object is moving in a fixed speed and fixed direction.

等速とは、物体が一定の速度で一定の方向に動くことを意味する。

This motion doesn't have any acceleration, deceleration, and does not change direction.

この動きには加速も減速もなく、方向も変わらない。

So your friend is on the platform.

だから、あなたの友人はホームにいる。

From his perspective, he is at rest and you are heading forward.

彼から見れば、彼は休息中であり、あなたは前進している。

But from your perspective, who is traveling at a constant speed, does not feel any motion.

しかし、一定速度で走行しているあなたの視点からは、何の動きも感じない。

And so you also can claim to be at rest.

だから、あなたも安静を主張することができる。

The rest of the world can appear to be running towards you.

世界中があなたに向かって走ってくるように見える。

If the train windows are closed, there is no outside reference point.

列車の窓が閉まっていれば、外の基準点はない。

Thus, you believe you are at rest.

こうして、あなたは自分が休息状態にあると信じている。

As all the laws of physics will apply to both your friend and you, both of you can be considered to be at rest.

物理法則はすべて友人とあなたの両方に適用されるので、両者とも静止しているとみなすことができる。

To explain more simply, let's take a look at a mosquito in a flying plane.

もっと簡単に説明するために、飛んでいる飛行機の中の蚊を見てみよう。

Now that the mosquito is sitting on the back seat, it wants to fly to the pilot room.

蚊は後部座席に座り、パイロットルームに飛んで行きたがっている。

If the laws of physics is not the same for a moving plane, it must travel above the flight speed.

もし物理法則が動いている飛行機と同じでないなら、飛行速度を超えて移動しなければならない。

But there is nothing like that and the mosquito feels at rest on a moving plane.

しかし、そのようなことはなく、蚊は動いている飛行機の中で静止しているように感じる。

So the normal effort is enough to reach the pilot's room.

だから、通常の努力で操縦室に到達できる。

Now let's come back to the train scenario.

さて、列車のシナリオに戻ろう。

You are in a moving train and your friend is on the platform.

あなたは走行中の列車に乗っていて、友人はホームにいる。

Whatever your friend is doing on the platform, you can also do in the moving train.

友達がホームでやっていることは、動いている列車の中でもできる。

However, the speed is not the same for all observers.

しかし、その速度はすべての観測者にとって同じではない。

Let's say the train is moving at a constant speed of 100 km per hour and you throw a football at the speed of 20 km per hour.

電車が時速100kmの一定速度で動いていて、あなたが時速20kmでサッカーボールを投げたとしよう。

From your perspective, the ball is traveling 20 km per hour because you are at rest inside the train.

あなたの視点からは、ボールは時速20kmで進んでいる。

But from your friend's perspective who is on the platform watching the train, he feels the ball is traveling at a whopping 120 km per hour.

しかし、ホームで列車を見ているあなたの友人から見れば、ボールは時速120kmで飛んでいると感じる。

Let's say you have another friend who is running on the track towards your train at 10 km per hour.

時速10キロで列車に向かって線路を走る別の友人がいるとしよう。

Now if he measured the ball speed, he would judge it to be 130 km per hour.

今、彼がボールのスピードを測れば、時速130kmと判断するだろう。

How can the same moving object be showing different speeds?

同じ動く物体がどうして異なる速度を示すのか？

Because speed is relative, it can vary from one to another.

スピードは相対的なものであるため、個人差がある。

Different observers can measure different speeds on the same moving object.

観測者が異なれば、同じ移動物体でも異なる速度を測定することができる。

Special Relativity's other postulate is that the speed of light is the same for all observers.

特殊相対性理論のもう一つの仮定は、光の速度はすべての観測者にとって同じであるというものだ。

The speed of light is constant and it always shows the same value for all frames of reference.

光速は一定であり、どの参照枠でも常に同じ値を示す。

Let's take a simple example.

簡単な例を挙げてみよう。

You and your friend are standing opposite each other.

あなたと友人は向かい合って立っている。

He has a flashlight and your friend flashes the light.

彼は懐中電灯を持っていて、あなたの友人はライトを点滅させる。

If you could measure the speed of light quick enough, you would measure it at around 300,000 km per second.

もし光の速度を十分に速く測ることができれば、秒速約30万kmで測ることができるだろう。

No surprises yet, as you are both at rest.

お二人とも休んでいるので、まだ驚きはない。

But now you are running towards your friend at the phenomenal speed of 10,000 km per second and he flashes the light.

しかし今、あなたは秒速1万キロという驚異的なスピードで友人に向かって走っている。

You would measure it still showing the same value of 300,000 km per second instead of showing 310,000 km per second.

その場合、秒速31万kmではなく、同じ秒速30万kmを示すことになる。

This is due to the fact that the speed of light is constant.

これは光速が一定であることに起因する。

It's the same for all the observers, no matter where that observer is at rest or in motion.

それは、観測者が静止していようが運動していようが、すべての観測者にとって同じである。

In order to maintain the constant nature of the speed of light, space and time experience weird features.

光速の性質を一定に保つために、空間と時間は奇妙な特徴を持つ。

So what is time?

では、時間とは何か？

Even today we still don't know exactly what time is, but we do have some basic understanding.

今日でも私たちは、時間とは何かを正確に理解しているわけではないが、ある程度の基本的な理解はしている。

We've all agreed that all the clocks in our world tick at the same rate.

私たちは皆、この世界のすべての時計が同じ速度で時を刻んでいることに同意している。

We've all agreed on how long some things take to happen and what things happen at the same moment.

私たちは皆、ある物事が起こるまでにかかる時間や、同じ瞬間に起こる物事について同意している。

These basic things of time we experience in our everyday life.

このような時間の基本的なことは、私たちが日常生活で経験していることだ。

But the constant nature of light says that it's all wrong.

しかし、光の不変的な性質は、それがすべて間違っていると言っている。

How?

どうやって？

Imagine there are two nations, nation A and nation B, and they want to sign an agreement.

A国とB国という2つの国があり、彼らが協定を結びたがっているとしよう。

The problem is that they both want to sign the agreement at the same moment, and they found the procedure too.

問題は、2人とも同じ瞬間に契約書にサインしたがり、その手続きも見つけたことだ。

The procedure is that the leader of both nations need to sit at the opposite sides of the table, with a light bulb fixed over the middle of the table.

手順としては、両国のリーダーがテーブルの反対側に座り、テーブルの中央に電球を固定する。

Turn on the light bulb, and when the light reaches both leaders' eyes, they can both sign simultaneously, because they already know that light always travels at the same speed.

電球を点け、その光が両リーダーの目に届くと、両リーダーは同時にサインをすることができる。

Both nations' leaders decide to sit exactly the same distance from the bulb.

両国の首脳は、電球からまったく同じ距離に座ることに決める。

So the event begins.

それでイベントが始まる。

They turn on the light, and the light reaches both leaders at the same moment.

2人がライトを点けると、その光は2人のリーダーに同時に届く。

The agreement is signed simultaneously by leaders, and everyone is happy with the result.

合意は首脳によって同時に署名され、誰もがその結果に満足している。

A few months later, they decide to sign another agreement, but this time, both leaders want to do it differently.

数カ月後、両首脳は別の協定に署名することを決めたが、今度は違うやり方を望んでいた。

Even though they have many different options, both leaders have an extreme love of trains.

さまざまな選択肢があるにせよ、両首脳は鉄道を非常に愛している。

So they set up the same scenario in a moving train.

そこで彼らは、同じシナリオを走行中の列車に設定した。

The train goes on.

列車は進む。

The light flashes and goes to each leader, reaching them simultaneously.

光が点滅し、各リーダーに同時に届く。

They sign, and again everybody in the train is happy with the result.

彼らはサインをし、またもや列車内の全員がその結果に満足する。

But the people standing on the platform started fighting, because the people from nation B complained that nation A leader signed the agreement first.

しかし、壇上に立っていた人々は喧嘩を始めた。B国の人々が、A国の指導者が先に協定に署名したことに文句を言ったからだ。

How did they come up with that conclusion?

なぜそのような結論に至ったのか？

Now take a look at that event again.

もう一度、その出来事を見てみよう。

The train is moving.

列車は動いている。

The light flashes.

ライトが点滅する。

Leader A is coming towards the flash.

リーダーAがフラッシュに向かってくる。

Leader B is moving away from the flash.

リーダーBはフラッシュから離れる。

So they saw that the flash first reached leader A, because he was moving towards the flash.

つまり、リーダーAはフラッシュに向かって移動していたため、フラッシュが最初に到達したことがわかったのだ。

They already know that light always travels at constant speed.

光は常に等速で進むことを、彼らはすでに知っている。

Leader B was moving away from the flash, so it took a longer time to reach leader B compared with leader A.

リーダーBはフラッシュから遠ざかっていたため、リーダーAに比べリーダーBに到達するまでに長い時間がかかった。

From the perspective of those watching the event from the platform, both leaders didn't sign at the same moment.

壇上からこのイベントを見ていた人々から見れば、両首脳は同じ瞬間にサインをしたわけではない。

But from the leader's perspective, who were in the moving train at constant velocity, claimed that they signed at the same moment.

しかし、等速で移動する列車の中にいたリーダーから見れば、同じ瞬間にサインをしたと主張する。

We already know that when an object travels at a constant speed from the perspective or frame of reference, it can claim it is at rest.

私たちはすでに、物体が視点や参照枠から一定の速度で移動するとき、それが静止していると主張できることを知っている。

Now let's move on from the platform perspective.

では、プラットフォームの観点から話を進めよう。

Let's make a simple to understand event.

わかりやすいイベントを作ろう。

We will draw a line when the flash takes place, and draw a line when the flash reaches leader A versus leader B.

フラッシュが起こったときに線を引き、フラッシュがリーダーAに到達したときとリーダーBに到達したときに線を引く。

So from this line, we can clearly see that the flash reaching leader B needs to travel a longer distance compared to leader A.

つまり、このラインから、リーダーBに届くフラッシュは、リーダーAよりも長い距離を移動する必要があることがはっきりとわかる。

Light always travels at the same speed.

光は常に同じ速度で進む。

If it has to travel further, it takes a longer time.

移動距離が長ければ、時間もかかる。

So who is right here?

では、誰が正しいのか？

The leaders inside the train or the people watching from outside?

車内のリーダーたちか、それとも外から見ている人々か？

The reality is that both are right.

現実はどちらも正しい。

So what is it telling us?

では、それは何を物語っているのか？

The constant nature of speed of light means that the events take place at the same time even though from the perspective of one group of people, the events don't take place at the same time as from the perspective of other groups.

光速が一定であるということは、あるグループの人々から見れば、他のグループの人々から見れば、出来事が同じ時間に起こっていなくても、出来事が同じ時間に起こっているということである。

One group of people don't realize any time difference and the other group of people witness a time difference on the same event.

あるグループの人々は時差に気づかず、別のグループの人々は同じ出来事で時差を目撃する。

It is not an optical illusion.

目の錯覚ではない。

It is reality.

それが現実だ。

The thing that happened from one person's perspective does not happen at the same moment as from the other person's perspective if they are in relative motion.

ある人の視点から起こったことは、相対運動をしている場合、もう一人の視点から起こったことと同じ瞬間には起こらない。

Now we move on to the next step.

さて、次のステップに進もう。

Let's take a clock.

時計を見てみよう。

Even though we have many different types of clocks to explain time dilation, we will take a light clock to understand this more easily.

時間拡張を説明するためにさまざまな種類の時計があるが、ここではより簡単に理解するために光時計を取り上げることにする。

The beauty of the light clock is that its mechanism is simple.

光時計の素晴らしさは、そのメカニズムがシンプルであることだ。

However, it is not different from any other clock we have.

しかし、私たちが持っている他の時計と違いはない。

In a light clock, there are two mirrors with a light ball bouncing between them.

光時計では、2枚の鏡があり、その間を光の玉が跳ね回る。

Let's consider the light ball as light.

光球を光として考えてみよう。

Every time the light ball goes up and down or tick-tocks, it counts as one second.

光の玉が上下したり、カチカチと音がするたびに1秒とカウントされる。

Now we take another light clock.

さて、もう1つ軽い時計を取り上げよう。

We will keep one clock in stationary and we will put another clock into motion.

1つの時計を静止させ、もう1つの時計を動かす。

So with the clock in motion, we can clearly see the light ball is moving at a diagonal path.

つまり、時計が動いている状態では、光のボールが斜めの軌道で動いていることがはっきりとわかる。

Also, we can see the counts on both clocks are different.

また、両クロックのカウントが異なっていることもわかる。

Why?

なぜですか？

Look at the trajectory on the moving clock.

動く時計の軌跡を見てください。

It's double diagonal.

対角線上にある。

The amount of one full up and down movement takes longer compared to a stationary clock.

1回の上下動にかかる時間は、止まっている時計に比べて長い。

This is because light needs to travel a longer distance, but the speed of light is constant and its speed always is the same for all observers.

これは、光がより長い距離を移動する必要があるためだが、光の速度は一定であり、その速度はすべての観測者にとって常に同じである。

So in the moving clock, each tick-tock happens at a slower rate.

つまり、動いている時計では、1回1回のチクタクの速度が遅くなる。

Slower tick-tocks mean time runs slowly.

時計の針が遅いということは、時間がゆっくり流れているということだ。

In the moving clock, one second takes longer than the stationary clock.

動いている時計では、1秒は止まっている時計より長い。

Time runs slowly on the moving clock only for the outside observer who is watching this event.

動く時計の中で時間がゆっくり流れるのは、この出来事を見ている外部の観測者だけである。

But for whoever is inside the clock, they don't feel any time difference because they also travel along with the light clock, so they are unable to feel the light ball take the diagonal path.

しかし、時計の中にいる人は、光の時計と一緒に移動しているため、時間の違いを感じず、光のボールが斜めに進むのを感じることができない。

So they don't feel time slowing down.

だから、彼らは時間の遅れを感じない。

As we already know, when an object moves at constant velocity, it can claim to be at rest.

すでにご存知のように、物体が等速で移動するとき、その物体は静止していると主張できる。

So when an object is in motion, its time slows down.

つまり、物体が動いているときは、その時間は遅くなる。

But why don't we see time dilation in our everyday lives?

しかし、なぜ私たちは日常生活で時間の拡張を目にしないのだろうか？

Let's take a look at the time dilation formula.

時間拡張の公式を見てみよう。

Let's take two clocks, one on Earth and another on a rocket in space.

地球上の時計と宇宙空間のロケットの時計を考えてみよう。

Let's make the rocket move at 10% of the speed of light.

ロケットの速度を光速の10％にしよう。

At this speed, we can't really see the time difference.

このスピードでは、時差を見ることはできない。

There is a time difference, but it is still hard to notice.

時差はあるが、それでも気づきにくい。

Now increase the velocity of the rocket to 70% of the speed of light, and we can really see the time difference.

今度はロケットの速度を光速の70％まで上げると、時間の違いを実感できるだろう。

The elapsed time on the rocket ship is less than from the perspective of those of us here on Earth.

ロケット船での経過時間は、地球にいる私たちから見れば短い。

Now let's move the rocket 98% of the speed of light, and now we can really experience the extreme difference between two clocks.

では、ロケットの速度を光速の98％にして、2つの時計の極端な差を体験してみよう。

So from our view who are on the Earth, the clock in motion time is ticking off very, very slowly.

だから、地球にいる私たちから見ると、動いている時計はとてもとてもゆっくりと時を刻んでいる。

To understand more deeply, we will take another example.

より深く理解するために、別の例を挙げよう。

The light clock is placed on the moving train.

光時計は走行中の列車に設置される。

Now our train velocity is at 10% of the speed of light.

これで列車の速度は光速の10％になった。

At this velocity, there is some time difference, but not much.

この速度では、多少の時間差はあるが、それほどではない。

It looks like it is almost following the exact path of the light ball going straight up and down.

光の球が上下にまっすぐ進む軌道をほぼ正確にたどっているように見える。

Then we increase the velocity to 70% of the speed of light.

そして速度を光速の70％まで上げる。

At this point, we can clearly see the diagonal path of the light ball.

この時点で、光球の斜めの軌道がはっきりと見える。

Now if we move the train extremely near the speed of light at 99.99%, there is a really big difference in the diagonal path.

ここで、列車を99.99％の光速に極めて近い速度で動かすと、対角線の進路に実に大きな違いが生じる。

So here, the light ball doesn't make a single tick while the stationary clock continues at its normal rate and completes a lot of tick-tocks.

つまり、静止している時計が通常の速度で動き続け、何度もチクタクと時を刻むのに対し、光のボールは一度も時を刻まないのだ。

Therefore, time dilation is a universal phenomenon.

したがって、時間の拡張は普遍的な現象である。

However, its effects become significantly noticeable only when moving near the speed of light.

しかし、その効果が顕著に現れるのは、光速に近い速度で移動しているときだけである。

At everyday speeds, time dilation does occur, but its impact is extraordinarily small.

日常的な速度では、時間の拡張は起こるが、その影響は極めて小さい。

We have seen so far everything is theoretical and formula-based, thus we can't actually conclude time dilation is happening when an object is in motion.

これまで見てきたように、すべては理論的で数式に基づくものであり、物体が運動しているときに時間の拡張が起こっていると結論づけることはできない。

So are there any experimental things that have been proven by real life?

では、実生活で証明された実験的なものはあるのか？

There are many experiments proving that time dilation really exists.

時間拡張が本当に存在することを証明する実験は数多くある。

Let's take two simple experiments.

つの簡単な実験をしてみよう。

The first example is the most straightforward experiment that verified time slows down for the moving clock.

最初の例は、動いている時計の時間が遅くなることを検証した最も簡単な実験である。

In 1971, scientists Heffele and Keating took two synchronized atomic clocks.

1971年、科学者ヘッフェルとキーティングは2つの原子時計を同期させた。

One was left stationary, and another one was placed on a plane.

ひとつは静止したまま、もうひとつは飛行機に乗せた。

The plane flew all around the world a few times.

飛行機は何度か世界中を飛び回った。

When the plane landed, they compared the two clocks.

飛行機が着陸すると、彼らは2つの時計を見比べた。

They found that a different amount of time had elapsed on each clock.

すると、それぞれの時計で異なる時間が経過していることがわかった。

The difference was 60 nanoseconds, in fact.

その差は実に60ナノ秒だった。

The time difference between them is exactly what Einstein had predicted.

両者の時間差は、まさにアインシュタインが予言した通りである。

So this experiment established very directly that time on moving clocks ticks at a very different rate from stationary ones.

つまり、この実験によって、動いている時計の時間は止まっている時計とはまったく異なる速度で時を刻んでいることがはっきりと証明されたのである。

Another experiment was conducted with the lifetime of a muon.

ミュー粒子の寿命に関する別の実験も行われた。

Muons are particles similar to electrons, but with a lifetime of only 2.2 x 10-6 seconds.

ミュオンは電子に似た粒子だが、寿命は2.2×10-6秒しかない。

After that, it breaks apart.

その後はバラバラになる。

So after 2.2 x 10-6 seconds, its lifetime ends.

つまり、2.2×10-6秒後に寿命が尽きる。

Scientists found that sometimes muons take a little extra time to disintegrate.

科学者たちは、ミューオンが崩壊するのに少し時間がかかることがあることを発見した。

That's when muon particles are in motion, and they take longer to break apart.

ミュー粒子が運動しているときで、分裂に時間がかかる。

However, muons themselves always take the same time to disintegrate.

しかし、ミューオン自体が崩壊するのにかかる時間は常に同じである。

But our perception as people who are watching this event experiences muon particles take a longer time to disintegrate.

しかし、この出来事を見ている私たちの認識では、ミュー粒子には分解に時間がかかる。

But muon particles still claiming that they disintegrated exactly after 2.2 x 10-6 seconds.

しかしミュオン粒子は、2.2×10-6秒後に正確に崩壊したと主張している。

However, this observation proved that time really slows down when an object is in motion.

しかし、この観測によって、物体が動いているときは時間が本当に遅くなることが証明された。

So feel this.

だから、これを感じてほしい。

You and your friend are at the same age, and both of you don't know about special relativity theory.

あなたと友人は同い年で、二人とも特殊相対性理論を知らない。

You left your friend on Earth, and you are traveling in a rocket near the speed of light after traveling and return back to the Earth and meet your friend.

あなたは友人を地球に残し、光速に近いロケットで旅をして地球に戻り、友人に会う。

Now you say that only 6 months passed for me.

私の場合は6カ月しか経過していない。

But your friend replies, but 40 years have already passed here on Earth.

しかし、あなたの友人はこう答える。

This is how time dilation works.