亜光速ロケットが帰還 年取らないのは、なぜ乗組員の方？

質問

地球から超高速の宇宙船が旅立ち、帰還すると、相対性理論により、宇宙船の中の方が時間がゆっくり流れ、地球では何百年もの時が過ぎていた...ということになると聞きました。

しかし見方を変えて、宇宙船は静止していて、地球（と、太陽系・銀河・その他全ての天体と物質）が亜光速で移動してきて、宇宙船のところに戻ってきた、と考えれば、地球上の方が時間がゆっくり流れ、静止していた宇宙船の乗組員の方だということになっても良さそうです。

なぜ、そうはならないのでしょうか？

動いたのが宇宙船以外ではなく宇宙船だから、というのであれば、「動く」「静止している」が何を規準に考えるべきものなのかを知りたいです。

よろしくお願いします。

回答No.5

noname#175206 · ベストアンサー

お考えの問題は「双子のパラドクス」ですね。これは往復でなく片道で考えて構いません。特殊相対論は、その問題に対して明確な答を与えています。
　それは特殊相対論にはお考えの「時計の遅れ」の他に「同時刻の相対性」と呼ばれる現象があるからです。あとローレンツ収縮ですね。しかしあくまでも、この問題を解く鍵は「同時刻の相対性」です。特殊相対論に関するパラドクスは、ほとんど同時刻の相対性に起因しています。
　「宇宙船は静止していて」ということは宇宙船の乗組員の立場で考えるということですね。加速による現象を無視するために宇宙船は出発地点で一気に亜光速まで加速し、全行程のほとんどを慣性飛行し、目的地直前で一気に減速して到着と考えましょう。
　問題の鍵は出発のときの現象です。宇宙船が出発して一気に加速すると、目的地の時計が一気に進んでしまうのです。これが同時刻の相対性です。確かに宇宙船からすれば目的地の時計はゆっくりになるのですが、最初に一気に進んだ分の効果が大きく、いくら亜光速で「目的地が近づいてきても」、時計のゆっくりよりも時計のすすみがまさってしまい、結果として宇宙船の経過時間のほうが短くなります。
　もちろん、目的地あるいは出発地点で考えた「宇宙船の時計はゆっくり進むから宇宙飛行士は若いまま」という答と、宇宙船の宇宙飛行士基準で考えた「目的地の時計が一気に進むから宇宙飛行士は若いまま」という答は、計算すると一致したものになります。
　もちろん、一般相対論は特殊相対論を含む理論ですから、一般相対論で考えてもOKです。一般相対論なら、加速時間を充分長く取って、それが無視できない場合も厳密に計算できます。その場合、宇宙飛行士基準は「自分はそういう重力場の中にいる」というものになります。
　このように、「動く」や「静止」の基準は観測者になります。基本は「観測者は静止」です。

お礼

双子のパラドックスというのですね。いろいろ調べてみます。ありがとうございます。

回答No.4

MVX250F001

行って帰ってきたからです

回答No.3

ORUKA1951

地球とロケットは根本的な違いがあります。
もし両者が等速直線運動をしているなら、それぞれ相手の時計はずれて生きます。自分は止まって宇宙が動いている。
　しかし、この場合はロケットは加速度運動をしなければなりません。内部では重力(=加速度)が大きくなっている。加速時と減速時どちらも・・

回答No.2

yokkun831

>しかし見方を変えて、宇宙船は静止していて、地球（と、太陽系・銀河・その他全ての天体と物質）が亜光速で移動してきて、宇宙船のところに戻ってきた、と考えれば、地球上の方が時間がゆっくり流れ、静止していた宇宙船の乗組員の方だということになっても良さそうです。

特殊相対論の範囲で，運動中の時計を見る限りにおいてこの相互の平等は保たれます。どちらから見ても，相手の時計は遅れて見えるのです。

しかし，実際に両者が再会したときに歳をとらないのは乗り組み員の方です。これは厳密には一般相対性理論によって説明される現象になりますが，地球がほぼ慣性系（加速度をもたない）であるのに対して，行って戻る運動をする宇宙船は加速系になるために，慣性力＝重力が生じ，時間の「絶対的な」遅れが起こるということだと思います。「動く」「静止する」が問題ではなく加速度があるかどうか，すなわち慣性力＝重力があるかどうかがポイントであり，この違いは速度のように相対的なものではないという点が重要です。

回答No.1

SaKaKashi

見方が変わるだけで、実際に高速移動したのは宇宙船だからですね。
宇宙船が静止状態だとすると、宇宙全体が移動しないといけませんよね。