相対性原理

物理学では、相対性原理とは、物理学の法則を記述する方程式がすべての参照フレームと同じであることを要求するものである。

紀元前300年、ギリシャの哲学者アリストテレスは、重いものは重くないものよりも早く落ちると考えた。アリストテレスの自然科学は、西欧の思想の中で最も人気があったのは2,000年前のことです。

1600年、イタリアの天文学者ガリレオ・ガリレイは、すべての物体が同じ加速度で落下することを証明しました。したがって、物体が一定の加速度で移動すればするほど、最終的な速度は速くなります。また、質量の異なる異なる物体を真空中で同じ高さから落下させれば（初速度はゼロ）、質量に関係なく同じ速度で地面に衝突することになります。ガリレオの実験的発見と、ニュートンが数学的に発展させた運動の法則が、現代科学を誕生させたのである。

ガリレオの相対性理論の原理は、「人間が動いているのか静止しているのかを機械的な手段で言うことは不可能である」としています。2つの列車が同じ方向に同じ速度で移動している場合、どちらか一方の列車に乗っている乗客は、どちらか一方の列車が移動していることに気づくことができません。しかし、もし乗客が地球のような定点を基準とするならば、どちらか一方の列車の動きに気づくことができます。もう一つは、地球の上に立っていても、地球が動いていることに気づくことができないということです。

この原理は、あくまでも観察から取ったものです。例えば、飛行機で一定の速度で移動していても、特別なことは何も気づかずに飛行機の中を歩くことができます。

実用的な観点から言えば、これはニュートンの運動法則がすべての慣性系、つまり静止しているもの、あるいは静止していると考えられるものに対して一定の速度で移動しているものに対して有効であることを意味している。これが慣性の法則であり、静止している体は静止したままであり、運動している体は外力の影響を受けない限り直線上で運動し続けている。ガリレオ座標系とは、慣性の法則が有効な座標系のことである。ガリレオやニュートンの力学の法則は、ガリレオ座標系で有効である。K がガリライア座標系であれば、他のすべての系 K' は、 K からの相対的な慣性の法則に従って静止していたり移動していたりすれば、ガリレオとニュートンの力学法則は K からの相対的なものと同じように有効である。

もし、K との相対的な関係において、K' が慣性 の法則に従って移動する座標系であり、回転がないならば、自然界の法則は K と同様に K' においても同じ一般原則に従うことになる。

言い換えれば、質量mがガリレオ座標系Kに相対する直線上で静止しているか、一定の加速度で移動している場合（一定の加速度はゼロに等しい可能性があり、その場合は速度は一定のままである）、慣性の法則がK'系で有効であれば（言い換えれば、ガリレオ座標系であれば）、第2の座標系K'に相対する直線上で静止しているか、一定の加速度で移動していることになります。

したがって、一定の速度で移動する系の効果を観測したい場合は、ニュートンの法則を直接適用することができる。もし移動系が速度を上げた場合（あるいは地球から星を見るように相対的に速度を上げた場合）、その効果を補うために虚数の力を導入しなければならない。

これらの架空の力を遠心力、コリオリ力と呼びます。

ニュートンの運動法則は、光速に比べて遅い速度に対しては機械的に正確である。光速に近づく速度に対しては、アインシュタインの特殊相対性理論の発見を応用する必要があります。

宇宙で機械的に起こっていることを説明するために、物理学者は質量、長さ、時間を使います。ガリレオやニュートンの物理学では、これらの量は宇宙全体を通して同じである。

アインシュタインの特殊相対性理論では、これらの量が変化することがあります。

質問と回答

Q:相対性原理とは何ですか?

A:相対性原理とは、物理法則を記述する方程式が、すべての参照枠で同じであることを示すものです。

Q: この原理を最初に提唱したのは誰ですか?

A: ギリシャの哲学者アリストテレスが紀元前300年に初めて提唱しました。

Q: ガリレオ・ガリレイは何を証明したのか?

A: ガリレオ・ガリレイは、質量に関係なく、すべての物体が同じ加速度で落下することを証明しました。

Q:ガリレオの発見は、近代科学をどのように誕生させたのでしょうか?

A:ガリレオの発見とニュートンの運動法則を数学的に発展させたものが、近代科学の誕生です。

Q:2つの列車が同じ方向に同じ速度で走っているのはどういう意味ですか?

A:2つの列車が同じ方向に同じ速度で動いている場合、どちらの列車に乗っている乗客も、どちらの列車が動いているのか気づくことができない。しかし、もし固定された参照枠（地球のようなもの）を持っていれば、その動きに気づくことができるだろう。

Q: 光速に近づくと、ニュートンの法則はどのように適用されるのでしょうか?

A: 光速に近づくと、ニュートンの法則の代わりにアインシュタインの特殊相対性理論を適用する必要があります。なぜなら、ニュートンの法則は光速に比べて遅い速度でしか力学的な正確さを保つことができないからです。