時間の遅れ

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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。

特殊相対性理論における時間の遅れ[編集]

特殊相対性理論では、物体が高速で移動するほど、その系における時間の流れが遅くなる。速度の上限は光速なので、光速に近い速さで運動する物体はほとんど時間の進みがないことになる。静止している観測者の時間の刻み幅を\Delta t とすると、運動体の時間の刻み \Delta t' は、光速をc_{}^{}、運動体の速さをv_{}^{} として、

\Delta t' = {\sqrt{1-(v/c)^2}}\Delta t

となる。これは、時間と空間を合わせて座標変換をしないと、電磁気学の法則に現れる光速 c の意味が説明できない、という理論的な要請から導かれたローレンツ変換による帰結である。この事実は、宇宙から飛来する素粒子宇宙線)の寿命が地上のものより長いことなどから確認されており、現代の素粒子論やの理論は、特殊相対性理論を基礎に構築されている。

例えば、宇宙船が光速の90%の速度で航行しているとする。単純化するため加速・減速は考えない。ずっと等速直線運動であると仮定する。静止している観測者が1年間を測定する時間は、宇宙船の中では上式より\Delta t'=0.436_{}^{}\Delta t となり、宇宙船の時計の刻み幅は静止系の約0.44倍である。つまり宇宙船内の時計では、まだ0.44年しか経過していない。この現象を利用すると、光速に近い宇宙船で宇宙を駆けめぐり、何年か後、出発地点に戻ってきたような場合、出発地点にいた人は年を取り、宇宙船にいた人は年を取らないという現象が生じ、宇宙船は未来への一方通行のタイムマシンの役目を果たすことになる(宇宙船から静止系を見ると、静止系は相対的に運動していることになるが、時間の遅れが生じるのは宇宙船側である。詳しくは双子のパラドックスの項を参照のこと)。

この状態が、日本のお伽噺である『浦島太郎』において、主人公の浦島太郎が竜宮城に行って過ごした数日間に、地上では何百年という時間が過ぎていたという話にそっくりであるため、日本のSF作品などではウラシマ効果とも呼ばれる(SF同人誌「宇宙塵」主宰者の柴野拓美が命名者と言われる)。

なお、この現象は何も光速に近い速度でなくとも発生する。現に航空機に載せた原子時計の進みがごく僅かに遅れる事が実験によって確認されている。ただし宇宙船人工衛星の場合は、後述の重力場の有無による影響も生じる。

SF作品におけるウラシマ効果[編集]

SFでは、ポピュラーな素材である。ジョー・ホールドマン終りなき戦い』では、ある一兵卒が1000年以上続いた星間戦争の開戦から終戦までを経験し、ポール・アンダースン「タウ・ゼロ」では、エンジン制御に支障をきたし無限に加速する宇宙船でこの宇宙の終焉を目にする、といったように、多くの作品のテーマにかかわるガジェットとなっている。

ドラえもん』では、浦島太郎自身が実は海でなく宇宙に連れて行かれてウラシマ効果を体験したのではないかと考えたのび太達が、タイムマシンでその真偽を確かめに行くエピソードが登場する。

藤子・F・不二雄のSF短編』の1つ『一千年後の再会』では、地球を離れたパイロットが、宇宙船の機内では10年ほどしか経っていないが、地球では1000年の月日が流れているという表現が出てくる。

庵野秀明の監督デビュー作『トップをねらえ!』でも巧みにストーリーに取り入れられて、周囲の人々の成長から取り残されてしまう主人公の悲哀が描かれている。なお、本作の企画・脚本を手がけた岡田斗司夫は、このモチーフは上記の「終わりなき戦い」から着想したと証言している(2008年3月放映の『BSアニメ夜話』での発言)。

ウルトラマンメビウス』では登場人物の1人がかつて亜光速宇宙船の任務に携わっていたために、40代前後の若さでありながら老人となった同僚と同年代であるという設定がなされている。

インターステラー』ではワームホールを利用して移住可能惑星の探索に向かった一行が何度かブラックホールなどの高重力環境に身を置いたため、主人公が帰還した際には地球側では80年ほど経過しており、出発時に10歳だった主人公の娘はすっかり年老いていた。

また、丸川トモヒロ作の漫画『成恵の世界』においても、一瞬で目的地に到達する「星門」を通らずに、亜光速速度で航行する貨物船に乗ってしまったために、船外では13年の月日が流れ、本来妹であるはずの七瀬成恵より年下になってしまった姉の七瀬香奈花がメインキャラとして登場する。

SF作品ではないが、英国のロックバンド、クイーンの楽曲である「'39」は、新天地を求め宇宙船に乗った乗組員がウラシマ効果によって数百年後に帰ってきたというストーリーである。この曲は天体物理学博士であるギタリストのブライアン・メイが作詞作曲した。

科学的に立証された物理現象であるが、現状では人間の生活に影響が出るほどの高速は出しえない。このギャップがこのガジェットの魅力であろう。

一般相対性理論における時間の遅れ[編集]

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ことになる。例えば、地球上(正確には、ジオイド表面上)で1秒当たり100億分の7秒遅くなる。

例えば全地球測位システム(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遅く進む。前述の通り、地上において重力の影響で時間が遅れるという現象から解放される(衛星軌道上は地球重力圏内なので、完全な解放ではないが、影響が少なくなる)ことにより、地上に対して時間が早く進むこと、また重力場の有無によりシグナル伝達に遅れが生じることから、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。