相対性理論

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• アインシュタインのその先へ：次の重力理論を探して アインシュタインの重力理論と量子物理学は、なぜ最も小さなスケールまで両方とも正しいということがありえないのでしょうか。両者がどこで衝突するのか、それらを統一するかもしれない競合するアイデア（ひもやループから、量子もつれで縫い合わされた空間まで）、ブラックホールは情報を消し去るのか、そして銀河のスケールでアインシュタインに突きつけられた挑戦を探ります。その大部分はまだ答えが出ていません。だからこそ、まだ誰も持っていない答えを与えられるのではなく、すでにいくつかのアイデアを否定した実験も含めて、証拠と照らし合わせながら候補を自分で見極めていきます。
• 重力は空間と時間を曲げる：一般相対性理論 上空でも重力は地上とほとんど変わらない強さなのに、宇宙飛行士が浮いているのはなぜでしょうか。落下するエレベーターから、曲がった時空としての重力へと、アインシュタインの足跡をたどります。そこでは、リンゴが落ちるのは主に地面に近いほど時間がゆっくり進むためです。続いて、この考えがどのように検証されてきたかを見ていきます。1919年の日食で曲げられた星の光、GPSを正しく機能させる時計の補正、時空のさざ波、そして私たちの銀河の中心にあるブラックホールのそばを猛スピードで通り過ぎる星です。
• 時空を間近に：相対性理論の背後にある幾何学 折り返すときの衝撃のせいではないとしたら、なぜ宇宙を旅した女性は双子のきょうだいより若くなって帰ってくるのでしょうか。方眼紙に空間と時間を描いてみると、答えは図から自然に浮かび上がります。傾いた「今」や、すべての観測者が一致する唯一の時計の読みも一緒に見えてきます。必要なのは簡単な算数だけです。続いて、落下ではなく潮汐こそが曲がった時空の本当の証である理由を知り、アインシュタインの方程式をやさしい言葉で言い表し、ブラックホールのない地平面に出会います。加速するロケットの背後にできる地平面から、水が流れる水槽の中にできる音の地平面まで。
• 時間が伸びる：特殊相対性理論とE = mc² 宇宙ステーションから戻った宇宙飛行士が、地上にいた誰よりも数千分の1秒若くなっているのはなぜでしょうか。光は誰に対しても同じ速さで通り過ぎるという一つの驚くべき事実から出発し、動く時計が遅れる理由、動く物体が縮む理由、何ものも光速まで加速できない理由、そしてE = mc²が太陽の光や原子力、さらには自分自身の体重について何を語っているのかを解き明かします。そのうえで、磁石が引きつける力や金の色といった思いもよらない場所にも、相対性理論が潜んでいることを見つけましょう。
• タイムトラベル、時間の矢、そしてアインシュタインの限界 過去を訪れることは、いつか誰かにできるのでしょうか。アインシュタインの方程式は紙の上では時間のループを許します。そこで、親殺しのパラドックス、ワームホール、そして提案されている抜け道を検討し、物理法則のほとんどが逆向きでも同じように成り立つのに、なぜ時間は前にしか進まないのかを問い、理論そのものが通用しなくなる地点を探ります。その多くは今なお議論が続いています。その道のりで、空間と時間を作り直した特許局の職員と、彼自身が疑っていた彼の理論の三つの予言にも出会います。