最終更新日: 2023 年 12 月 9 日

時間の曲がりまたは時間の遅れ

画像の説明: 時空の湾曲の中にある時間の湾曲。
画像ソースastronoo.com

時空の湾曲

アルバート・アインシュタイン (1879-1955) の一般相対性理論は、重力を時空の曲率として説明しています。巨大な物体 (星、銀河、銀河団) は、その周りの時空の網を曲げます。オブジェクトの質量が大きいほど、曲率は大きくなります。

時空の湾曲では、湾曲という形での空間の歪みは比較的容易に想像できます。私たちは、巨大な天体が通過する際に変化しながらこの空間の曲率に従うことができることをよく理解しています。
一方で、時間の曲がりが奇妙に見えるのは、私たちは曲がった時間をイメージする方法がわからないからです。しかし、一般相対性理論は、重力が時間の測定にどのような影響を与えるかを示しています。時間は大衆の前でねじれ、拡大します。

高度 20,200 km を移動する GPS 衛星の原子時計は、地球の重力によって生じる時間の歪みを考慮して補正する必要があります。この時間差は非常に小さいですが、測定可能です。言い換えれば、地球の表面にある時計は、宇宙にある時計よりもゆっくりと動作するということです。
何のために？

時間は空間の追加次元です

時間の曲率は空間の曲率よりも複雑な概念です。
私たちの日常の経験は 3 次元の枠組み (長さ、幅、高さ) に固定されており、追加の時間的次元を想像することは本能的ではありません。

アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論は、時間が空間に関連した固有の次元であるという考えを導入しています。言い換えれば、時間はメートル単位で測定されます。しかし、私たちの空間的直観は 3 次元の現象に基づいているため、4 次元である時間を直観的に理解することは困難です。

時空を宇宙を表す平面として想像してみましょう。
有意な質量やエネルギーがない場合、この表面は平らになります。
しかし、質量またはエネルギーが存在すると、この表面は湾曲します。オブジェクトが大きいほど、湾曲はより顕著になります。時空の湾曲は、惑星の存在下では最小ですが、星の存在下ではより顕著になり、ブラックホールの存在下では極端なレベルに達します。

ここで、時間を、私たちが知っている 3 つの空間次元に垂直な追加の次元として考えてみましょう。曲がった時空では、時間は存在する質量またはエネルギーによって作られる曲率に従います。

この曲面 (時空) の x、y、z、t 軸上を転がる移動物体を想像してみましょう。
時空の曲率は物体の軌道に影響を与えます。曲率が顕著になると、オブジェクトはより多くの曲線パスをたどります。

さて、これを時間に当てはめてみましょう。時間は湾曲した空間の追加の次元であるため、時間も質量によって作成される湾曲に従います。
観察者がこの湾曲した時空を移動すると、湾曲した時間を知覚することになります。一方、平坦な時空にいる観察者は時間を直線として認識します。
言い換えれば、時空の曲率は時間の流れに影響を与えます。曲率が顕著であればあるほど、時間の経過は遅くなります。これは時間の膨張と呼ばれ、大きな質量によって湾曲した時空の領域では時間がよりゆっくりと流れるように見えます。

この単純化されたアナロジーは、時空の湾曲が時間にどのような影響を与えるかを直感的に理解することを目的としています。
実際には、アインシュタインの一般相対性理論はこれらの現象を説明するために複雑な数式を使用しますが、この視覚化は時間の湾曲の基本的な考え方を概念化するのに役立ちます。