私の手作りホームページです。地味で申し訳ありませんがどうか楽しんでご覧頂ければ幸いです。・・・笑 平成26年からは業務履歴を除き新事例紹介は新HPにて公開させて頂きます。

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アインシュタインの特殊相対性理論について

前文

このような物理理論を解説する場合、学者の方々などの専門家の方が解説する場合は、社会的責任を背負っている立場上、いくらわかりやすくと言っても嘘が付けない、本題から離脱できない等、どうしても限界があります。 分かりやすく比喩的に例示する方法は私たちのようないわゆるシロウトにとっては、何とも目を覚ますような理解を得るとっても有意義なやり方ですが、プロの皆様にとっては、逆に最も難しい、歯がゆいことかもしれませんね。

そこでシロウトなら出来る、責任のないコラムということで、皆様に分かりやすく解説してみたいと思います。
皆様が簡単に理解出来て、とっても楽しくなることをあくまでも主眼にします。だから多少の間違いは全て許してください。

@ 何が『相対性』なのか・・・まず初めに大切な考え方を知ってください。

これはお互い様理論ということをあらわしています。

ケース1.車で斜面をずっと走っていると、いつの間にか自分が登っているのか下っているのか分らなくなる時がありますね。

ケース2.車などで走行中にほんの少し傾いた電柱などが目に入るとその背後の建物が一瞬傾いて見えたことはありませんか。
   

こうしてお話してみるとご自身でも思い当たるケースがありますか。例えば目の錯覚を利用した遊園地のアトラクションなど心当たりを探してみて下さい。つまり、これ等は人間の錯覚を利用しています。
上図の垂線2本を見て下さい。AとBどちらが垂線でしょうか。
そうです。人は地面に対して垂直に立っているので垂線を判断出来るのです。それはイコール重力線をあらわしています。
従って日本における垂直とアメリカにおける垂直は実は全く方向が異なるわけです。
このように基準をどこに置くかで見え方は全く変わってしまいます。

それではこれをとりあえず宇宙規模で見たらどうなるでしょうか。今はガリレオ時代のように地球が全宇宙の中心軸だと思っている人はいませんね。地球は太陽の周りを廻っています。それでは太陽は止まって回転しているだけなのでしょうか。・・・違います。太陽は銀河系を約数億年で周回していると言われています。それでは銀河系は静止しているのでしょうか。・・・その果ての宇宙は、?

前説では垂直か否かについてお話しましたが、同様に静止か運動かについても同じことが言えるのです。
もう少し分かりやすくお話しすると・・・
宇宙位置から見た場合・・・星Aが星Bに向かって秒速□□qで進んでいる=星Bが星Aに向かって秒速□□qで進んでいる・・・どちらが正しいかは何を基準に判断するのでしょうか。
そうです。宇宙空間においては絶対座標が存在しないのです。つまり上記は星Aにとっては星Bが迫ってくるとも見えるし、星Bにとっては星Aが迫ってくるとも見えるのです。どちらかが絶対に静止していると言えない限りはお互いに=自分又は相手を基準に考える=相対する以外にないのです。

まずこれがなぜに相対性(相対性理論)なのかを考える基本です。

A もう少し・・・静止しているを考える

宇宙空間において完全に静止しているものはありません。しかし皆さんは確かに立ち止まっています。
これは地球の表面に『くっついている』だけで地球の表面の運動に同方向に同速で動いていることに他なりません。
自転、公転運動、銀河系自体の動きを考えれば、実際にはすごい動きをしているのです。

宇宙船のコックピットに着座している人間は宇宙船を基準として考えれば確かに静止していますが、宇宙船自体はものすごいスピードで飛んでいるのです。しかし逆に・・・もし仮に銀河系と同方向、同速度で動いているとすれば、その宇宙船は静止していることになりますね。

こんな一見、乱暴にも見える考え方の基本が相対性理論を知る上での基本になることをまずは理解してください。

B 宇宙を考える=関数(数式として)に置き換える=単純な一次関数として考えて見ましょう。

δ=α×β これは基本的関数 y=f(x) の考え方です。

例えばこれは距離δ=時間α×速度βという地球上空間で成り立つ単純比例式です。
特殊相対性理論を考えるときに、考え方を整理する上で、単純明快なこの比例式の因果だけを利用します。
あくまでも数式の因果の特長だけを事務的に利用すると理解して下さい。
つまり、δが固定されるとするとαが大きくなるとβが小さくなる。逆にβが大きくなると比例してαが小さくなるというだけです。

答えA=10を絶対値とすると β=5とおくと10=α×5よりα=2となります  α=1とするには10=1×βよりβ=10が必要です。

これを アインシュタインが考える宇宙の時間、速度と空間にこの式に当てはめて見ましょう。
アインシュタインは
δ=α×βの中のδに絶対不変の光速を導入したのです。
つまり
光速のみが唯一自然界の中で不変=全てを司るもの=全ての原理の源=絶対であると仮定したのです。
そして絶対であるもの(光速)=時間×空間と考えたのです。

この宇宙空間を考えたとき、唯一自然界の中で光速のみが不変であると考えたその理由は分りません。
普通人なら時間こそが(正確には時間の流れ方が)絶対であると考えるでしょう。しかし、そこが彼が天才と言われる所以です。
そしてこれは先ほどの考え方、つまり誰がどの立場で見ても、宇宙空間にあるものの、全ての立場で見てもそれは不変である=一定である
と考えたのです。つまり単純式、光速δ(不変)=時間α×空間βと考えたわけです。

この宇宙空間を支配するものは光速です。時間と空間は光速を絶対値としてそれぞれが伸びたり縮んだりするのです。
これは時間が長くなると言うことではなく時間の流れ方が伸びたり縮んだりすると言うことです。空間についても同様、例えばある人が太ったり、やせたり見えると言うことではなく、あくまで違う立場で見た場合に空間全体が縮んだり伸びたりするということです。すなわち当事者(その世界の中にいるもの)から見える世界は普段と何も変わらないのです。

とりあえずはここまでで・・・次項の後、更にこのことについて詳しく見てゆきましょう。

C 私達が住むこの地球空間は、同様にこの時間×空間の原則のなかにいながらも光速の規模に比べてあまりにも小規模な為に上記のような時間や空間の歪みなどは感じることが出来ません。光速は 速度30万q/秒であるといわれています。この速度は自然界の絶対速度、つまり他の全てのものはこれを超えることが出来ないとされているのです。

それでは次のような場合はどうなるのでしょう。

1.速度20万q/秒で飛ぶ宇宙船から速度20万q/秒で宇宙船を発射すると20+20=40q/秒となり光速を超えるのではないか。
・・・実はこれは不可能なのです。相対性理論による速度加算公式は以下です。

      V及びUは任意速度 C:光速(秒速30万km)

一見すると複雑な公式に見えるかも知れませんがV及びUは光速30万kmを超えることがないのですから光速2を分母としてやれば最大でもVU/C2は1にしかならないというだけのことです。つまり最大でも

      =30万km/秒 となります。但し、ここで注目すべき点は光速Cに対してV及びUが小さいとほとんど分母は限りなく1に近い、つまりV+Uのままだと言うことです。3×105km/秒に対し(3×104km/秒)2でも分母は1+1/100=1.01にしかなりません。つまり比喩的に言うと光速に限りなく近づいて初めて相対性理論を「体験出来る」ということになるわけですね。

D ここで改めてBに戻りましょう。光速を絶対値とし、時間と空間(時空)が伸び縮みするという理論は上記Cの通り、光速に限りなく近づくことで体験?出来ます。

光速で飛ぶ宇宙船から進行方向と垂直に光弾を発射したらどうなるでしょう。

光が飛んだ時間と距離を考えて見ましょう 宇宙船の乗員から見ると距離x=光速×時間θです。

しかしある星にいる人が外から見ると宇宙船は光速で飛んでいるのでとなり距離xはとなるはずです。(ピタゴラスの3平方の定理)

さてここで問題です。何が矛盾しているでしょうか。

そうです。乗員も星にいる人も同じものを見ているのに光弾が飛んでいる距離が違います。光速は絶対値なのです。
つまり距離x=光速×時間θのなかで光速が一定の絶対値だとすれば距離x=光速×時間θを変形し光速=距離x×時間θと変形すれば
上図(距離x×時間θ)=光速=下図(距離x×時間θ)ということになりますね。

つまり光速度絶対の法則が正しければ距離x×時間θのどちらか、又は両方が変化しなければ成り立たないと言うことです。
つまり光速を絶対値として空間か時間=時空が変形する、伸び縮みすると言うことになるのです。但し、それは『外から』それを見る『人』?にとっての時間であり、空間であるのです。 その『中にいる人?』にとっては普段と何一つ変わることはありません。つまりそれは、どちらにとっても光速は絶対速度であり、絶対に同じものであ り、同じにしか見えないものであるからです。
だから相対性理論なのです。

さらに進んで考えてみると相対性理論の応用編として、いろいろと面白い現象を考えることが出来ます。

例1.マンガ宇宙戦艦大和ではワープ航法なるものがありましたね。つまりもし、光速を超えることが出来たら?

 光速=空間×時間θですから光速∞= 時間θ×(空間=∞)とすることが出来るかも?
 確かに空間を無限大と考え、任意の宇宙座標に一瞬に『移る』ことも出来るかもしれませんね。

これは特殊相対性理論の根本をごく解りやすく説明したものです。もし興味抱くことが出来れば是非一度読んでみることをお勧めします。
とても頭が柔らかく柔軟になったような?、なるような?気がしますよ。

 

ガリレオが地動説を唱えたときに誰もが信じ得なかったでしょうが、今は天動説を信じる人はいませんね。アインシュタインが光速のみが絶対であり空間と時間が伸び縮みするのだと言っても、もう皆さんは決して驚くことなく、当たり前田のクラッカーなのです。

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