時間の遅れとタイムマシン

はじめに
 科学の本を読んでいたときに、「アインシュタインの相対性理論により空間、時間の絶対基準が光であり、空間と時間が歪む。」続けて「時間の流れが遅くなることもなりえる。」と書いてあった。
 一般に私たちは、時間は現在から未来に向けて一方通行的なものと考えている。そして、常に同じ間隔で一秒が流れると思い込んでいる。しかし、この相対性理論は一般的な認識とは違うことを証明している。
 本を読み進めているとタイムマシンのことについても触れられていた。タイムマシンも私たちは実現不可能なことと考えている。過去に行くことは、実現不可能なことなので、映画やSFで頻繁に使用されている。
 しかし、相対性理論の出現によってタイムマシンの可能性もあるということが本に書かれていた。時間の流れは変化することもできるということに興味を持ったので「時間の遅れとタイムマシン」という題で時間について調べてみた。
(1)時間が遅れることの説明

 上の図は非常に速い速度で飛んでいるロケットを示している。図:1 はロケット内部の人が見たもので、ロケット内のA 地点から光を発射し、ロケットの反対側にあるB 地点の鏡に反射させ、またA 地点に戻ってくるまでの時間を測定している。
 同じ現象をロケットの外から見たとする。すると図:2 のように、光は斜めに走って戻ってくることになる。ロケットの外の人とロケットの中の人では、光の進む距離が違う。
 日常的な場合「(慣性の法則的な意味合いで)進んでいるロケットの中を光が進んでいるからこの光の速さは普通の光より速い。だからより長い距離を進むんだな」と考える。しかしいかなる場合でも光の速さは一定なのである(アインシュタインによる相対性理論)。
 『進む距離が長くなるのに速さは不変』ということは、時間の方が変化するしかありえない。つまり、ロケットの外で静止している人が測った「Aから出た光がAに戻ってくるまでの時間」の方が、ロケット内の人が測った同じ時間より『長い』ということになる。
 逆に言うと、ロケットの中の方が時間の進み方が遅いことになる。これは見掛けのものではなく、実際にロケットの中の人の方が時間が遅く進むのだ。
 SF映画「猿の惑星」の中で、光速に近いスピードで飛ぶロケットの中では時間が遅れるので宇宙船の中では数年しか経っていないが、地球ではその間に1000 年以上が経過している-という話が出てくるが、その原理もこのことの応用である。

図:3 は、落下するエレべーターの図である。

A → B に進んでいる光は、静止しているエレベーターの直進している光の図である。A → B ’に進んでいる光は、落下しているエレべーターの中を進む光の図である。
仮に一秒でAからBに光が進むとする。静止しているエレべーター中の光も、落下しているエレべーター中の光も、それぞれ同時にB 、B ' に到達する。
ここでも、先ほどのロケットの光と同様に、静止しているほうよりも落下している方が光の進む距離は長くなっている。
光の速さはつねに不変なので、時間が変化してしまう。つまり静止しているエレべーターで測った「Aから出た光がBに行くまでの時間」よりも、落下しているエレべーターで測った時間の方が『長い』ということになる。
光が重力によって曲げられて、時間の進みが遅くなることは実際に確かめられている。また、重力が大きければ大きいほど落下が大きくなる。という事は、重力が大きいほど光の進む距離が大きくなり、時間の進みが遅くなる。
時間の遅れとタイムマシン その2