相対性理論クイズ：アインシュタインの特殊・一般相対性理論
E = mc²から時空の歪みまで：特殊相対性理論と一般相対性理論、時間の遅れ、ブラックホール。各問に科学的根拠付きの解説を添えた11問の相対論クイズ。
11 問~6 分ja
Q1 / 11
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真空中の光の正確な速度はどれですか？
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Q1. 真空中の光の正確な速度はどれですか？
- 186,000 m/s
- 299,792,458 m/s
- 1,000,000 km/s
- 観測者によって異なる
真空中の光速は正確に299,792,458 m/sであり、cと表記されます。1983年以来、メートルはこの値から定義されています。これは物質と情報に対する宇宙の速度制限です。Q2. アインシュタインが特殊相対性理論を発表したのはいつですか？
- 1879年
- 1905年
- 1915年
- 1925年
特殊相対性理論は「奇跡の年」に発表された論文「運動する物体の電気力学について」として1905年に掲載されました。同年、彼は光電効果とブラウン運動も説明しました。Q3. 方程式E = mc²は何を示していますか？
- 質量はゼロである
- エネルギーは質量に光速の二乗を掛けたものに等しい
- 光はエネルギーを持たない
- 力は質量にcを掛けたものに等しい
質量とエネルギーは等価です：わずかな質量がc² ≈ 9 × 10¹⁶ m²/s²のために膨大なエネルギーに対応します。これが核分裂、核融合、恒星の力の源となる原理です。Q4. 時間の遅れとは何ですか？
- 真空の中では時間が止まる
- 動いている時計は静止した座標系から見ると遅く刻む
- 時間は地下で速くなる
- 時間は温度だけに依存する
速度vで動く時計は1/√(1−v²/c²)倍の割合で遅くなります。GPSの衛星はこの効果と重力による時間の遅れの両方を補正しなければなりません。補正なしには位置が毎日数kmずれます。Q5. アインシュタインが一般相対性理論を発表したのはいつですか？
- 1905年
- 1909年
- 1915年
- 1921年
一般相対性理論は1915年11月に完成しました。重力を含むように特殊相対性理論を一般化したもので、重力を質量とエネルギーによって生じる時空の歪みとして記述します。Q6. 一般相対性理論において、重力はどう解釈されますか？
- 磁気的な力
- 質量とエネルギーによって生じる時空の歪み
- 摩擦の一種
- 錯覚
巨大な物体は時空を歪め、他の物体は曲がった幾何学の中で最も直線的な経路（測地線）に沿って動きます。ジョン・ウィーラーはこう要約しました：「物質は時空にどう曲がるかを教え、時空は物質にどう動くかを教える」Q7. 一般相対性理論を確認した1919年の有名な観測とは何でしたか？
- 冥王星の発見
- 日食時における太陽による星の光の曲がり
- 光子の検出
- 原子の分裂
アーサー・エディントンは1919年5月29日の日食時に太陽付近を通過する星の光の偏向を測定しました。角度はアインシュタインの予測（約1.75秒角）と一致し、彼を一夜にして世界的有名人にしました。Q8. 相対性理論の観点からブラックホールとは何ですか？
- 空の空間
- 時空の歪みが極端すぎて光さえも脱出できない領域
- 暗い惑星
- 重力のない燃え尽きた星
ブラックホールの事象の地平面の内側では、脱出速度がcを超えます。イベント・ホライズン・テレスコープは2019年4月にM87*の直接画像を、2022年にいて座A*の画像を公開しました。Q9. 重力波とは何ですか？
- 宇宙の音波
- アインシュタインが1916年に予測した時空の波紋
- 惑星から反射する光
- 月によって引き起こされる海洋の波
重力波は加速する巨大な物体によって引き起こされる時空の伝播する歪みです。LIGOは2015年9月14日に2つのブラックホールの合体から生じた重力波を初めて直接検出しました。2017年ノーベル賞を受賞。Q10. 双子のパラドックスとは何ですか？
- 一卵性双生児は常に意見が合わない
- 旅行した双子は地球に残った双子より若く帰ってくる
- 宇宙で双子は2倍速く老いる
- 2つの光子が消滅する
時間の遅れにより、光速に近い速度での往復旅行をした双子は地球上の双子よりも老いていません。これは実際にはパラドックスではありません：加速するのは一方の双子だけであり、座標系間の対称性を破ります。Q11. 長さの収縮は何を予測しますか？
- 物体は高速で膨張する
- 動く物体は運動方向に沿って短く見える
- 質量が負になる
- 光は金属の中で曲がる
速度vで動く物体は同じローレンツ因子1/√(1−v²/c²)で運動方向に沿って短く見えます。日常的な速度では効果はごくわずかで、光速に近い速度でのみ顕著になります。