●第16章 特殊相対性理論と経験(Spezielle Relativitätstheorie und Erfahrung)

 特殊相対性理論が経験によって、どの程度まで支持されるのか、という問題は、すでにフィゾーの根本的実験のさいにふれた理由によって、簡単には答えられない。特殊相対性理論は、電磁気現象についてのマックスウェル-ローレンツの理論から結晶したものである。だから、その電磁気理論を支持するいっさいの経験的事実が、相対性理論を支持する。ここで、とりわけ重要なものとして指摘しておきたいことがある。それは、次のことである。相対性理論は、恒星から、われわれのところにくる光が、その恒星に対する地球の相対運動(訳注:地球の公転)によって受ける影響を導くことができること、そして、それがまったく単純な方法で、経験とぴったりと合うということである(Ich erwähne hier als besonders wichtig, daß die Relativitätstheorie in überaus einfacher Weise in Übereinstimmung mit der Erfahrung die Einflüsse abzuleiten gestattet, welche das von den Fixsternen zu uns gesandte Licht durch die Relativbewegung der Erde gegen jene Fixsterne erfährt.)。それは、太陽のまわりを地球が運動するにともない、恒星の見かけの位置が年周運動すること(光行差:Aberration)と、地球に対する恒星の相対運動の視線方向速度成分(Radialkomponente)が、われわれの所にくる光に及ぼす影響とである。後者の影響は、恒星からの光のスペクトル線が、地上の光源がつくる、それと等しいスペクトル線のスペクトル位置にくらべて、少しずれていることに現れている(ドップラーの原理:DOPPLERsches Prinzip)。マックスウェルとローレンツの理論に好都合な実験上の論拠は、みな同時に相対性理論にも好都合な論拠であるが、ここで説明するには、あまりにたくさんありすぎる。マックスウェル-ローレンツの以外の理論が経験に即しえなかったことは、事実上、理論的な可能性を狭めたが、相対性理論の論拠についてもまた同じことがいえる(Sie engen tatsächlich die theoretischen Möglichkeiten derart ein, daß sich keine andere Theorie als die MAXWELL-LORENTZsche der Erfahrung gegenüber hat behaupten könnenn.)。
 さて、これまでに、二組の実験事実が確かめられているが、マックスウェル-ローレンツ理論は、ある補助仮説を要請することによってしか、その二組の実験事実を説明できない。そして、その仮説はそれ自体では --- すなわち相対性理論を用いることなしには --- あやしげに見える(Zwei Klassen von bisher ermittelten experimentellen Tatsachen aber gibt es, welche die die MAXWELL-LORENTZsche theorie nur durch Hinzuziehung einer Hilfshypothese darstellen kann, die an sich --- d. h. ohne Benutzung der Relativitätstheorie --- befremdlich erscheint.)。
 陰極線(Kathodenstrahlen)、および放射性物質からでる、いわゆるβ線は、非常に小さな慣性と大きな速度をもつ負に荷電した粒子(電子)からなることが知られている。これらの放射線が電場および磁場の影響で示す偏曲(Ablenkung)を調べることによって、これらの粒子の運動法則を非常にくわしく研究できる。
 これらの電子を理論的に取り扱うさい、電気力学だけでは、その性質について説明することができない、という困難と闘わねばならない。なぜかといえば、同じ符号の電気量は相反発するから、電子を構成する負の電気量は、これまでわれわれがその性質を知らない別種の力がその間に働かないかぎり、その相互作用の影響によって、たがいに反発して、散り散りになるにちがいない*。いま、電子を構成する電気量の相対的距離が電子運動のさいにも変化せずにいる(古典物理学の意味で固い結合をしている)と仮定するならば、電子に関するある運動法則が得られるが、それは経験と合わない(Denn da elektrische Massen eines Vorzeichens sich abstoßen, müßten die das Elektron konstituierenden negativen elektrischen Massen unter dem Einfluß ihrer Wechselwirkung auseinander getrieben werden, wenn nicht noch Kräfte anderer Art zwischen ihnen wirksam wären, deren Natur uns bisher dunkel ist. Nimmt man nun an, daß die relativen Abstände der das Elektron konstituierenden elektrischen Massen bei den Bewegung des Elektrons ungeändert bleiben (starre Verbildung im Sinne der klassischen Mechanik), so gelangt man zu einem Bewegungsgesetz des Elektrons, welches mit der Erfahrung nicht überstimmt.)。H・A・ローレンツは、純粋に形式的な見地から、電子という物体が運動によって、その運動方向にという式に比例して収縮する、という仮説を最初に導入した。この仮説は、電気力学的には、どうしても正当化されないのだが、近年経験的に、たいへん精密に(mit großer Präzision)確証された運動法則を与えるのである。
 相対性理論は、電子の構造とふるまいについて、なんら特別な仮説を必要としないで、同じ運動法則を与える。第13章『速度の加法定理---フィゾーの実験』で見たように、フィゾーの実験の際にも、事情は同じであって、相対性理論が、その結果をもたらすのに、流体の物理的性質について、仮説をもうける必要もなかった。
 ここで指摘される二組目の事実は、地上での実験において、宇宙空間における地球の運動が感知できるか、どうかという問題にかかわっている。すでに第5章『(狭い意味での)相対性原理』で触れたのだが、そのような、すべての努力は、否定的な結果をもたらした。相対性理論が、構築される前は、この否定的な発見を、つじつまの合うように説明するために、科学は非常な難儀を味わったのである。すなわち、その事情は、つぎのようなものであった。時間と空間に関する因習的な偏見のために、一つの基準体から、他の基準体への移行は、ガリレイ変換に服するということを、少しも疑問に思わなかったのである。いまマックスウェル-ローレンツの方程式が、基準体Kにあてはまると仮定する。そうすると、もし基準系KK'の間にガリレイ変換の関係が成立するとするとき、Kに対し相対的に等速運動している基準体K'については、その方程式が、あてはまらないことがわかる。それによって、すべてのガリレイ座標系から、特定の運動状態をもつ(K)が物理的に特出される(ausgezeichnet)ように思われる。この結果は、物理的につぎのように解釈された。Kは仮想的な光エーテルに対して相対的に静止しているとみなされる、と。それに反して、Kに対して運動している、すべての座標系K'は、エーテルに対して動いていなければならなかった。エーテル(K'に対して相対的な『エーテルの風』)に対するK'のこの運動には、K'に対して相対的に当てはまるべきいっそう複雑な法則があてられた。また、地球に対しても、このエーテルの風が、矛盾なく仮定されなければならなかったし、物理学者の努力も長い間、それを立証するために費やされたのである。
 このことに関して、マイケルソン(MICHELSON)が失敗はありえれないような、一つの方法を発見した。たがいに反射面を向けあった二枚の鏡が、一つの剛体についている、と考えよ。光線が、一方の鏡から、もう一方の鏡へ行って、また戻ってくるのに、このシステム全体が、光エーテルに対して、静止している場合には、はっきり決まった時間Tだけかかる。しかし、鏡とともに、その剛体がエーテルに対して運動している場合は、この過程に対して(計算によって)やや違った値の時間T'を見いだす。いや、そればかりではない! 計算の与えるところによれば、その剛体が、鏡の面に対して垂直に動いている場合と、鏡の面に対して平行に動いている場合とでは、エーテルに対して与えられる速度vをもってするこの時間T'が、異なっているはずである。このように、これらの二つの所要時間の差は、わずかではあるが、計算で与えられたので、マイケルソンとモーリー(MICHELSON und MORLEY)は、その差が明らかに出てこなければならない干渉実験(Interferenzexperiment)を行った。しかし、実験は否定的な結果に終わり、物理学者たちを、非常に困惑させた。ローレンツとフィッツジェラルド(LORENTZ und FIZ GERALD)は、エーテルに対する物体の運動がちょうど上述の時間差を消すだけの収縮をその運動方向に起こす、と仮定することによって、その困惑から理論を救った。『第12章 運動している棒と時間の挙動』の説明と比較すれば、相対性理論の立場からも、この救助策が正しいものであったことがわかる。この間の事情は、相対性理論によれば、たとえようもなく満足に理解できるのである。相対性理論に従えば、エーテルの概念の導入を許すような特別な座標系は存在しないのであり、さらに、エーテルの風とか、そのようなものを立証する実験とかも存在しないのである。ここでは、運動物体の収縮ということが、その理論の二つの根本原理から特別の仮定もいらずに導かれるのである。しかも、その収縮を決定づけるものとしては、運動それ自体 --- われわれは、それに何の意味も与えられない --- ではなく、その時々に選ばれた基準体に対する運動が、ものをいうのである。すなわち、マイケルソンとモーリーの鏡つき物体が収縮するのは、地球とともに運動する基準系に対してではなく、太陽に対して相対的に静止している基準系に対して、なのである。

 *一般相対性理論は電子の電気量が重力によって凝縮しているという考えを解いている。(特殊および一般相対性理論について アルバート・アインシュタイン KM訳 1916年より)

[前ページへ][ホームへ][目次へ][次ページへ]