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最も重要な科学的発見
特殊相対性理論。 科学的発見の歴史と本質
1905年、ドイツの科学雑誌Annalen der Physicistに、30ページの短い記事がXNUMX歳で掲載されました。 アルバート・アインシュタイン 特殊相対性理論がほぼ完全に説明された「移動体の電気力学について」は、すぐに特許庁の若い専門家を有名にしました。 同じ年に、「物体の慣性はそれに含まれるエネルギーに依存するのか？」という記事が同じジャーナルに掲載され、最初の記事を補足しました。 特殊相対性理論はどこからともなく現れたのではなく、XNUMX世紀半ばから多くの物理学者が取り組んできた移動体の電気力学的問題の解決から生まれました。 彼らは電磁波が伝播するエーテル媒体の存在を発見しようとしました。 エーテルはすべての体を貫通すると想定されていましたが、それらの動きには関与していません。 発光性エーテルのさまざまなモデルが構築され、その特性に関して仮説が立てられました。 動かないエーテルは、それと比較して、その絶対的に静止している基準系として役立つことができるように思われました ニュートン 体の「本当の」動きを考慮しました。 ニュートンの見解によれば、宇宙には「絶対時間」の経過を任意の時点から数える「通常の時計」があります。 さらに、「絶対運動」、つまり「ある絶対的な場所から別の絶対的な場所への身体の動き」があります。 XNUMX年間、ニュートンの原則は正しく、揺るぎないものと見なされていました。 物理学者は彼らに質問していません。 エルンスト・マッハは、ニュートンの原則を公然と批判した最初の人物でした。 彼は実験物理学科で科学的キャリアを開始し、オーストリアに独自の研究室を持っていました。 マッハは音波を使って実験を行い、慣性の現象を研究しました。 マッハは「絶対空間」、「絶対運動」、「絶対時間」の概念に反駁しようとした。 アインシュタインはマッハの研究に精通しており、この知人は相対性理論に関する彼の研究において重要な役割を果たしました。 実験物理学では、ニュートンの教義も疑問視されました。 地球は太陽の周りの軌道を移動します。 次に、太陽系は世界空間を飛行します。 その結果、軽いエーテルが「絶対空間」で静止していて、天体がそれを通過する場合、エーテルに対するそれらの動きは、敏感な光学機器を使用して検出できる顕著な「エーテル風」を引き起こすはずです。 「エーテル風」を検出する実験は、1881年前に表明されたアイデアに基づいて、アメリカのアルバートマイケルソンによって12年に開始されました。 マクスウェル。 マイケルソンは次のように推論しました。地球が完全に動かないエーテルを通って移動する場合、特定の条件下で地球の表面から発射された光線は、「エーテル風」によって持ち帰られます。地球。 「エーテル風」は、エーテルに対する地球の変位によってのみ発生するはずです。 最初の実験装置はベルリンのMichelsonによって構築およびテストされ、すべての機器は石のスラブに取り付けられ、1881つとして回転させることができました。 その後、実験はアメリカに移され、マイケルソンの親友であり協力者であるエドワード・モーリーの参加を得て実施されました。 科学者たちは、最も弱い「エーテル風」でさえも記録できるミラー干渉計を作成しました。 1887年とXNUMX年の両方で実施されたすべての実験の結果は、「エーテル風」の存在を否定しました。 マイケルソンの実験は、今でも物理学の歴史の中で最も有名で傑出したもののXNUMXつと見なすことができます。 アインシュタイン自身によると、彼は相対性理論の誕生にとって非常に重要でした。 しかし、すべての物理学者がエーテルが存在せず、ニュートンの原理が疑問視されるだけでなく、永久に破棄されるべきであることに同意したわけではありません。 オランダの物理学者 ヘンドリック・ロレンツ 1895年に彼はエーテルを「保存」しようとしました。 彼は動きの速い体が収縮を経験することを示唆した。 ローレンツの前でさえ、1891年に、アイルランドの物理学者ジョージ・フィッツジェラルドは、ローレンツが気づかなかった同様の提案をしました。 ローレンツとフィッツジェラルドは、エーテルの「圧力下にある」すべての物体が平らになり、短くなると書いています。 すべてのデバイスが配置されているプレート、およびデバイス自体が短縮されています。 地球とその表面の人々の両方が短縮され、これらすべての短縮と平坦化の大きさは、「エーテル風」の効果のバランスをとるような大きさに等しい。 科学者たちはまた、「エーテル風」の伝播時間の補正を導入しました。 これらのアイデアは単なる推測であり、サポートはほとんどまたはまったくありませんでした。 1904年の秋、アンリポアンカレは完全に動かないエーテルを「保存」しようとしました。 彼はローレンツの計算を多かれ少なかれ首尾一貫した理論の形で定式化しようとしましたが、この「理論」は形式的なものにすぎませんでした。 最高の心は悲しかった、この状況から抜け出す方法はなかったようだった。 しかし、その道はアルバート・アインシュタインによって発見され、彼は物理学を行き詰まりから解放し、それを新しい方向に向けました。 アインシュタインは、まだアーラウの学校にいる間、しばしば思考実験を行いました。それは、人が光速で光波の後ろを移動するのを見ることができるものです。 後に相対性理論と呼ばれるものについての考察の始まりとなったのはこの質問でした。 アインシュタインは、彼の推論の始まりについて、「物理学において、あるイベントの空間座標と時間が何を意味するのかを明確に理解する必要がありました」と書いています。 アインシュタインは、同時性の概念を探求することから始めました。 したがって、ニュートン力学は、原則として、相互作用（つまり、信号、情報の送信）を無限の速度で伝播することが可能であると主張しています。 そして、アインシュタインの理論によれば、信号伝送の最大速度である光速はまだ有限であり、さらに、毎秒XNUMX万キロメートルのすべての観測者に対して同じ値を持っています。 したがって、「絶対同時性」の概念は、物理的な意味を欠いており、適用することはできません。 アインシュタインは、空間的に分離されたイベントの同時性は相対的であるという結論に達しました。 同時性の相対性の理由は、信号の伝播速度の有限性です。 確かに、光の速度は私たちが移動する速度よりもはるかに速いため、これを明確に想像することはできません。 「絶対同時性」が不可能な場合、「絶対時間」は存在できません。これは、すべての基準系で同じです。 物質とその動きから完全に独立して、与えられたペースで一度だけ流れる「絶対時間」の概念は間違っていることが判明しました。 参照の各フレームには、独自の「現地時間」があります。 アインシュタインの時間の教義は、科学におけるまったく新しい一歩でした。 「絶対時間」は破棄され、時間と運動は密接に関連しているため、ニュートンの「絶対運動」の概念を排除する必要がありました。 これはアインシュタインがしたことです。 アインシュタインの理論の最初の主要な仮説である相対性原理は、相互に均一かつ直線的に移動するすべての基準系で、同じ自然の法則が機能すると述べています。 したがって、古典力学の相対性原理は、電磁気プロセスを含む自然界のすべてのプロセスに外挿されます。 ある参照フレームから別の参照フレームへの移行が必要な場合は、ローレンツ変換を使用する必要があります。 アインシュタインは、これらの方程式を前任者の仕事に対する深い敬意の表れとして名付けました。 アインシュタインは相対性理論で軽いエーテルを電磁場に置き換えました。 多くの科学者はそのようなターンに非常に苦痛に反応しました、彼らはエーテルが存在しないという事実に同意することができませんでした。 偉大なオランダ人ローレンツでさえ、彼の死までエーテルの存在を信じていました。 アインシュタインの XNUMX 番目の公準は、真空中の光の速度はすべての慣性座標系で同じであると述べています。 光信号の発信元の速度や受信機の速度には依存しません。 光の速度は、自然界で起こるすべてのプロセスの上限です。 光の速度は限界速度であり、自然界のプロセスは光の速度を超えることはできません。 光速の一定性から、XNUMXつの有名なパラドックスまたは結果が生じます。距離の相対性理論と時間間隔の相対性理論です。 距離の相対性は、距離が絶対値ではなく、特定の基準系に対する体の速度に依存するという事実にあります。 動きの速い物体の寸法は、静止している物体の長さに比べて小さくなっています。 体の速度を光速に近づけると、その寸法はゼロに近づきます！ ローレンツは、マイケルソンの実験でエーテルを「保存」しようとしたときにも同様のことを表現しました。 時間間隔の相対性は、最初の基準系と比較して、静止している基準系のクロックと比較して、動きの速いフレームのクロックの速度を遅くすることにあります。 上記の効果は、物理学者によって相対論的と呼ばれます。つまり、光速に近い速度で観測されます。 実際に物質体を光速に近い速度に加速しようとするとどうなるでしょうか。 相対性理論は、現在有名な公式に従って質量とエネルギーの同等性を主張します。これは、次のように言葉で表すことができます。「エネルギーは、質量に光速のXNUMX乗を掛けたものに等しい」。 最初に、体のエネルギーの増加は、質量の微妙な増加を伴い、その結果、体の慣性を伴います。 したがって、それをさらに加速することは少し難しくなります。 速度が光速に近づくにつれて、この効果はますます印象的になり、光速を克服することは不可能になります。 アインシュタインの公式は、XNUMX年代後半にウラン核分裂の反応で見事な確認を受けました。 同時に、原子エネルギーの形で再び完全に明らかにされるために、総質量のXNUMX分のXNUMXが消えました。 通常の化学反応でもアインシュタイン比が観測されますが、反応中に出現または消失する物質の量は総質量のXNUMX億分のXNUMX未満であるため、非常に正確なバランスでも検出することはできません。 特殊相対性理論では、均一な運動、つまり、運動の方向が変わらない一定速度での運動が考慮されていることを強調することが重要です。 重力引力などの外力による加速度で運動が発生した場合、特殊相対性理論は適用できなくなります。 アインシュタインが発見して物理学に導入したものは真に革命的なものであったため、特殊相対性理論が素晴らしい発見であるとすぐに気づく物理学者はほとんどいませんでした。 理解してくださった方の中には、 マックスプランク、彼は次のように書いています。「アインシュタインの時間の概念は、これまで投機的な自然科学や哲学的な知識理論でさえ作成されてきたすべてのものを大胆に上回っています。」 1908年、チューリッヒ工科大学でアインシュタインを教えたドイツの数学者ヘルマンミンコフスキーは、特殊相対性理論のための数学装置を作成しました。 21年1908月XNUMX日のドイツ自然主義者と医師の会議での彼の有名な演説で、ミンコフスキーは次のように述べています。これらは根本的な結果につながります。これからは、空間自体と時間自体が完全に影の領域に消え、これらの概念の一種の結合だけが独立した存在を保持します。 それ以来、「ミンコフスキー世界」は特殊相対性理論の不可欠な部分になりました。 アインシュタインはかつてジェームズ・フランクにこう言った。「なぜ相対性理論を作ったのか。この質問をすると、その理由は次のように思える。普通の大人は時空の問題を考えていない。彼によれば、彼はすでに子供の頃にこの問題について考えていました。私は知的にゆっくりと発達したので、私が大人になったとき、時空が私の考えを占めました。当然、私は通常の傾向の子供よりも問題に深く浸透することができました。 「」 アインシュタインは、世界の地球規模の問題がすでに解決されているという「大人の」自信を持っていませんでした。 この気持ちは、特別な知識や興味の蓄積によって抑制されませんでした。 彼は運動の概念について考え、人類の子供時代に固有の考えに戻りました-相対性理論の古代の考えに戻りました、それは後に絶対的な参照体としてのエーテルの概念によって曖昧にされました。 エーテルの概念が破棄されたとき、アインシュタインは運動は絶対的ではあり得ないと結論付けました。 著者: サミン D.K.
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