アインシュタインはいかにして相対性理論を発想したか？

こんにちは、アイデア総研の大澤です。

2016年2月、米国の重力波検出器『LIGO（ライゴ）』が世界で初めて重力波の観測に成功し、世界中で大きな話題になりました。ご存知でしたか？

重力波は、天才物理学者アインシュタインが残した“最後の宿題”と呼ばれています。彼が発表した一般相対性理論の予測の中で、唯一観測・証明できていなかった現象だったからです。

その宿題が、約100年の時を経てようやく解かれました。アインシュタインの考えが正しかったことが、改めて証明されたわけです。

さて、ここで一つ疑問が浮かびます。アインシュタインは今から100年以上も前に、当時の技術では絶対に測定できないような理論を、いったいどうやって思いついたのでしょうか？

今回はその発想の源を探りながら、アインシュタインの創造性の秘密に迫っていきたいと思います。これ、ビジネスのアイデア出しにも使えるんです。

アルベルト・アインシュタインとは

アルベルト・アインシュタイン（Albert Einstein、1879年3月14日 〜 1955年4月18日）は、20世紀を代表する理論物理学者です。

代表的な業績といえば特殊相対性理論と一般相対性理論ですが、それだけではありません。光量子仮説による光電効果の解明や、ブラウン運動の起源を説明する揺動散逸定理など、数々の革新的な理論を打ち立て、ニュートン以来の物理学を根本からひっくり返しました。

まさに20世紀最大の物理学者であり、現代物理学の父とも呼ばれる人物です。

では、なぜ彼はそれほどまでに革命的なアイデアを次々と生み出せたのでしょうか。

その答えが、彼の発想の核心にある「思考実験」というプロセスです。

海外記事『These 5 mind-melting thought experiments helped Albert Einstein come up with his most revolutionary scientific ideas』をもとに、アインシュタインの思考実験の具体的な方法をご紹介します。

アインシュタインが革新的な科学的アイデアを発想するために行った5つの思考実験

20世紀最大の天才のひとりであるアルベルト・アインシュタインは、常識をはるかに超えた物理理論によって、それまでの科学の世界を一変させました。

彼の最大の才能のひとつが、複雑な科学的アイデアを、誰でもイメージできる現実のシナリオに置き換えて考えるという驚くべき能力でした。

彼はこうした思考の作業を「Gedankenexperiments（ゲダンケンエクスペリメント）」、日本語でいう思考実験と呼んでいました。

それでは、アインシュタインの画期的な発見につながった5つの思考実験を、順番に見ていきましょう。

光を追いかけていると想像する

これはアインシュタインがなんと16歳のときに考え始めた思考実験です。16歳といえば高校生ですよ。スケールが違いますね。

「もし自分が光を追いかけたら、どうなるだろう？」

もし光に追いつけたとしたら、空間の中で静止した光を観察できるはず、とアインシュタインは考えました。

しかし光は空間の中で止まることがありません。止まった瞬間に、それはもう「光」ではなくなってしまうからです。

では、光がどんな状況でも一定の速度で進み続けるなら、何かほかのものが変化しなければならないはず。

アインシュタインが出した答えは、「変化するのは時間だ」というものでした。

これが特殊相対性理論の出発点となった思考実験です。

電車の中で立っているところを想像する

毎日電車に乗っているサラリーマンの方には、特に馴染みやすい思考実験かもしれません。

あなたが走っている電車の中に立っていて、友人がホームに立っているとします。

そのとき、雷が列車の前後に同時に落ちたとしましょう。

外に立っている友人には、2本の雷が同時に落ちたように見えます。

一方、電車に乗っているあなたは前方に向かって移動しているため、前方の雷により近い位置にいます。光の移動距離が短い分、前方の雷を先に見ることになります。

つまり、動いている人と止まっている人では、時間の流れが異なるわけです。

この思考実験から、アインシュタインは「時間と空間は相対的であり、絶対的な同時性は存在しない」という確信を深めます。これも特殊相対性理論の根幹をなす考え方です。

ロケットに乗る双子を想像する

こちらは「双子のパラドックス」として有名な、光時計の思考実験の応用版です。

あなたに双子のきょうだいがいたとします。ほぼ同時に生まれた、まったく同い年の二人です。

ところが生まれた直後、そのきょうだいはロケットに乗せられて光速に近いスピードで宇宙へ旅立ってしまいます。

アインシュタインの特殊相対性理論によれば、光速に近づくほど時間の流れが遅くなります。つまり、宇宙を旅するきょうだいはゆっくりと年をとるのです。

やがてロケットが地球に帰還したとき、きょうだいはまだ思春期を迎えたばかり。一方のあなたは定年後の老後を考えているかもしれません。

「浦島太郎」の現代物理学版、といったところでしょうか。

箱の中に立っていることを想像する

あなたが宇宙空間に浮かぶ箱の中にいるとします。窓はなく、外の様子は一切わかりません。

突然、床が下に落ち始めます。

さて、何が起きているのでしょうか？

箱が重力によって落下しているのでしょうか？それとも、ロープで上に引っ張られて加速しているのでしょうか？

実はアインシュタインによれば、この2つは区別がつかない、同じ効果なのです。

重力と加速度が等しい効果を生むなら、時間・空間に影響を与える「動き」と重力も、本質的には同じもの。つまり重力もまた、時間と空間をゆがめるということになります。

この「重力による時空のゆがみ」こそが、一般相対性理論の核心です。重力波の観測も、まさにこの理論から導かれたものでした。

両面コインを投げているところを想像する

実はアインシュタインは量子論の大の苦手でした。むしろ「絶対に間違いを証明してやる」と思考実験を重ねていたほどです。

ところが皮肉なことに、その反証の試みが量子論の発展に貢献してしまいました。

アインシュタインが「おばけのような遠隔操作」と呼んで嫌っていた思考実験がこちらです。

表と裏に分割できる特殊なコインを用意します。トスして、どちらの面が出たか確認せずに片面を友人に渡し、もう片面を自分で持ちます。

友人はそのままロケットに乗って宇宙へ旅立ちます。

やがてあなたが手元のコインを見ると……表でした。

その瞬間、数十億光年も離れた宇宙にいる友人のコインが裏であることが確定します。

もしコインの面が「見るまで決まっていない」のだとしたら、あなたが見た瞬間に、光速を無視して2枚のコインが瞬時に影響し合ったことになります。これが量子力学における「量子もつれ（エンタングルメント）」の概念につながる思考実験です。

まとめ

いかがでしたか。

アインシュタインが残した5つの思考実験、いずれも「自分の頭の中でリアルな場面を想像する」というシンプルなアプローチが共通していましたね。

実験室も最新機器もなく、ただ「もしこうだったら？」と想像するだけで、物理学の常識をひっくり返す理論が次々と生まれたわけです。

この思考実験という発想法は、科学の世界だけに限った話ではありません。たとえば商品開発の現場でも、試作品を何度も作る前に脳内で精度の高い「思考試作」を繰り返すことで、時間もコストも大幅に節約できます。

頭の中でリアルにシミュレーションするためには、対象をとことん深く知り、まるで目の前にあるかのように鮮明にイメージできるまで考え抜く必要があります。

それができるようになったとき、あなたのアイデア発想力・創造力は一段と高まるはずです。

ぜひ日常の仕事の中でも思考実験を取り入れ、革新的なアイデアを生み出してみてください。

 

source:businessinsider.com