重力場で時間が遅れる理由

 
相対性理論で出てくる時間の変化:速くなったり遅くなったり。

特に一般相対性理論の方に出てくる「重力場での時間の遅れ」
いったい何故??

不思議ですね。
前からいったいどんな原理なのだろうと考えていました。

漠然としていて、とにかく具体的なイメージがわかなかったのです。
悶々としていました。

それが突然に判明することに…。
やっぱり考えてみるものですね。


時間は、古くは、地球の自転と公転の周期から定められました。

ところが、現在は原子時計で、時間を定めています。
原子固有の振動を利用するのです。
その周波数より、正確な時間を求めるのです。



時間の遅れ (ウィキペディアより)

時間の遅れ(じかんのおくれ、time dilation)は、物理学の相対性理論が予言する現象で、運動している状態によって時計(時間座標)の進み方が異なることを指す。特殊相対性理論では、ある速度で動いている観測者の時計の進み方は、それより遅い速度か静止している観測者の時計よりも進み方が遅くなることが予言され、実験的に確認されている。一般相対性理論では、強い重力場にいる観測者は、それより弱い重力場にいる観測者よりも時計の進み方が遅い。いずれも静止している観測者や重力源から無限遠方の観測者を基準とするので、時計の進み方が「遅い」と表現される。

一般相対性理論における時間の遅れ

一般相対性理論においては、重力は空間(時空)を歪ませ、時間の進みを遅らせる。このため重力場の存在する惑星上では、重力の無い宇宙空間に比べて時間がゆっくり進む事になる(地球上で1秒当たり100億分の7秒)。

例えば全地球測位システム(グローバル・ポジショニング・システム、GPS)では、GPS衛星が地球上へ正確な時間を伝達することで、地球上の正確な位置を測定している。しかし衛星は衛星軌道上にあり、地球の自転によるスピードが地表に比べ相対速度が早いため、地表に比べて時間が早く進む事、また重力場の有無によりシグナル伝達に遅れが生じる事から、差引調整をする必要がある。そのため、地球上の測定器が受信する信号が正確に処理されるように、衛星側の内蔵時計は毎秒100億分の4.45秒だけ遅く進むように補正が行われている。



原子時計 (ウィキペディアより)

原子時計(げんしどけい)とは原子や分子のスペクトル線を用いて正確な時間を計る時計である。高精度のものは10^-15(3000万年に1秒)程度、小型化された精度の低いものでも10^-11(3000年に1秒)程度の誤差である。

原理

原子や分子には、それぞれに決まっている周波数の電磁波を吸収あるいは放射する性質がある(スペクトルにおける吸収線と輝線)ため、元になる水晶振動子から放射された電波よりも高精度な周波数を求めることができる。周波数は時間の逆数であるから、時間を高精度で測定できる。1967年に定められた秒の定義もこの性質を利用している。原子時計は一般的な時計とは異なり本来は「原子周波数標準器」と呼ばれるもので、時刻を表示する仕組みは備えていない。元になる超高精度のクォーツ時計を修正している。

原子時計を元に作られた正確な時刻情報は標準電波として放送されており、その電波を受信してクォーツ時計の誤差を修正しているのが電波時計である。

将来
・時計の精度が上がると、相対性理論により時計がある場所の速度、重力、電磁場が精度に大きく関係してくる(セシウム原子時計でも地球上と人工衛星軌道での時間の進む速さの違いが検出される)。逆に考えると、電磁場や重力場(重力波?)を高精度で測定できる可能性を秘めている
・物理学の基本量・・光速、プランク定数、素電荷、万有引力定数、微細構造定数などを正確に決定できる。これらの数字のつながりが解明されるかも知れない。
相対性理論と量子力学の2つは根本の部分で分かっていなかったり、微妙に整合性がとれていない。どちらが正しいかわかるようになり、統合・調整できるかも知れない。





この原子時計の周波数。
これが不変なものだと考えているわけですね。

とにかく原子時計は、超が何個も付くほど正確で狂うことがない。
高精度なものは、3000万年に1秒しか狂わない。
絶対的な信頼をもっている。

だから、重力場にある原子時計が遅れると、それは時間の進行が遅れたのだと信じるわけです。
まぁ、確かにそういう面もあるのでしょうが。
原子時計が狂うのだとは、思いもよらないのでしょう。

ウィキペディアにもあるとおり、相対性理論と量子化学では、微妙に整合性が取れていません。
不十分な点があるのです。

えてして不十分なのは、量子化学の方だと私は考えています。
このケースの場合もそう。

従来の考えでは、電子の軌跡はもちろんのこと、どこにいるかさえ分からない状態。
だから、原子固有の周期を測ることしかできない。

軌跡は追えないのです。
軌跡が長くあるいは短くなったとしても、気付かないのです。



一方、私の考えは、こうなります。

変化するのは、絶対的な時間の進行ではなく、原子の方。
重力場では、原子の方が変化する。

では、いつもの竜巻理論を持ち出してみましょう。

原子の中では、規則性をもって、デンシなりヨウシなりチュウセイシが回っている。
一定の速度で、回転運動をしているのです。

この回転半径が変わったら、周期が変わるのです。
大きくなれば周期、すなわち時間の進行は遅くなり(下図左)、小さくなれば速くなる(下図右)。

アイススケートのスピンをイメージすれば、すぐに分かるでしょう。
腕を広げれば遅く回り、狭めれば速く回る。

時間の遅れ15


先日の記事で、万有引力の根源は、竜巻を構成する未知のリュウシの、分布や密度差にあると述べました。
このリュウシは、いわゆるエーテルと呼ばれる概念に近いですね。

原子の周囲では相対的に希薄であり、原子のない場所では密度が高い。
一般的な感覚とは逆になるのです。
周囲に何もない場所での真空中ほど、このリュウシは密度が高くなる。

天気図でいえば、原子は低気圧。
逆にこの真空地帯は、高気圧。

何十万トンもあるタンカーでさえ、周囲の水が動けば動くのです。
大きな質量のある物体も、その周囲が動けば、動かざるを得ないのです。

物体の周囲には、このリュウシの希薄な部分ができる。
単独なら上下左右前後、いずれの方向にも動くことはない。

だが、もう一つ物体があると、両者の重なる部分は、より希薄になる。
すると、圧力の高い方から低い方へと、リュウシは拡散していく。

この時に物体は引き寄せ合う。
より正確には、引かれているのではなく、後ろから押されているというべき。

これが万有引力の根本原理。

こう考えると、重力で光が曲がることも、難なく説明できます。

大きな質量をもつ物体のそばは、リュウシの圧力が低い。
そこを光というリュウシが横切ると、圧力の低い方へと進路が曲がる。

世界で数人しか、正確には理解できていないと言われている相対性理論。
その難解な理論の意味が、いとも簡単に理解できてしまいます。



さて、竜巻内部は、低気圧状態。
圧力が低いのです。

ここで周囲のリュウシ圧力が下がれば、当然竜巻は膨らむでしょう。
風船と同じです。
すると下図左のように、回転半径は大きくなる。

逆に周囲の圧力が上がれば、下図右のように、回転半径は小さくなる。

竜巻半径の変化2

幾ら精度の良い原子時計であっても、原子内部が変化すると、時計は狂ってくる。
重力場で時間が遅くなるということは、おそらくこういうことであろうと思う。

こういう環境にいると、我々人間を構成するすべての原子が、同じ影響を受けることになる。
生命活動における化学反応すべてが同じ影響を受けるであろうから、相対的に寿命が延びるというのは、あながち否定はできないことになる。

ただ同一環境下(地球なら地球)にいる限り、その時間の遅れを感じることはないでしょう。



なお、原子内の竜巻が、重力により、膨張あるいは収縮する。
これには限界があるでしょう。

無限大に大きくなることは、物理的にありえません。
原子の大きさを越えることはないのです。

したがって、時間の遅れも無限大になることはないように思います。
相対性理論では、計算上は、ありえるのかもしれませんが。

 
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コメント

No title

SF映画や漫画に有るような、時間の遅れは無いと言う事かな?
ブラックホールに吸い込まれそうになった人が数十年後もまだ吸い込まれずに要るとか。
重力の強い所に居た人が千年・万年後に帰ってくるとか。

Re: No title

11111さん、こんにちは。

> SF映画や漫画に有るような、時間の遅れは無いと言う事かな?
⇒以前、下記記事にて、触れました。
時間の遅れは、ありうると考えます。

☆HAARPは、重力も時間も操る??
http://oyoyo7.blog100.fc2.com/blog-entry-1779.html より抜粋

私は原子を、アンバランスなために、常に回転軸がねじれるコマに例えています。

回転とねじれ。
これらは、一次的、二次的な振動が発生する源です。

(円偏光で)人為的にアンバランスを矯正(きょうせい)すると、ねじれによる二次的な振動が減るはずです。
これが原子の振動に影響を与える(=振動を減らす)と考えると、時間が遅れることになります。

原子の振動が減ると、電子の移動速度が下がり、すべての化学反応が遅くなります。
つまり、(一連の原子で構成される)その物体では、時間の進行が遅くなります。

生物であった場合でも同様です。
外部から見ると、動きが鈍くなり、年を取るのが遅くなります。

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