長さの収縮とは何ですか？

長さの収縮とは、オブジェクトがその観察者に対して動いているときに、観察者がオブジェクトをその運動の次元に沿って短く知覚する現象を指します。 物理学者のヘンドリック・ローレンツとジョージ・フィッツジェラルドにちなんで、ローレンツ収縮またはローレンツ・フィッツジェラルド収縮とも呼ばれます。 オブジェクトがオブザーバーに対して相対的に速く移動するほど、オブザーバーの視点からより収縮します。 この効果は非常に小さいため、人間が日常生活で遭遇する可能性のある速度では無視できますが、光の速度のかなりの割合で移動する物体では、より顕著になります。

長さ収縮の現象は、特別な相対性理論の結果です。 相対性理論によれば、真空中の光の速度（毎秒約300,000キロメートル、つまり186,000マイル）、つまりcは、すべての観測者に対して常に一定です。 直感に反して、これは、観察者の視点から移動する光源から放射される光の場合のままです。

地球に対して5キロメートル/秒（KPS）で移動する宇宙船から、1 KPSで船から遠ざかる方向にオブジェクトが発射されたとします。 船内のオブザーバーは1 KPSで移動しているように見えますが、地球上のオブザーバーは6 KPSで移動しているように見えます。 船の外部ライトがオンになっている場合、船の観測者はcで船から遠ざかる光を検出しますが、地球の観測者はcに加えてcに船の速度を加えた光を知覚します。

その結果、船の光が特定の場所に到達する正確な瞬間は、宇宙船との相対的な速度に応じて、観測者によって異なります。 その結果、同じ瞬間に他のイベントが発生していたことについて意見が一致しなくなります。 これは同時性の相対性と呼ばれます。

これがオブジェクトの検出された長さにどのように関係するかは、一般的に次の思考実験で説明されています。 動いている物体の左右の端がその前を通過しているときに、各クロックが測定できる同期クロックの列を想像してください。 オブジェクトがクロックの列を通過した後、オブザーバーは、オブジェクトの右端が左端が2番目に到達すると同時に1つのクロックに到達するために2つのクロックが互いに必要な距離を計算することにより、その長さを決定できます時計。

参照フレームを共有する2人のオブザーバーは、長さに同意します。 ただし、測定はどのイベントが同時に発生するかに基づいているため、互いに対して動いている観測者は長さに同意しません。 クロックに対するオブザーバーの速度が大きいほど、それらの測定値は、相対的な安静時のオブザーバーの測定値と大きく異なります。

長さの収縮の効果は、高速になると大きくなります。 1秒あたり約14,990キロメートル（9,314マイル）の0.05c（光の速度の5％）を移動するオブジェクトは、静止した観測者に非常にわずかに短縮されるように見えます。平行に向けられている場合、静止時の長さの約99.87％その動きのラインに。 オブザーバーから見た長さは、0.2cで静止時の長さの97.79％、0.4cで91.65％、0.7cで71.41％に縮小します。 0.9cでは、オブジェクトの検出された長さは43.58％に短縮され、0.999cでは、わずか4.47％に縮小します。 長さがゼロに縮小することはありませんが、cに近い収縮はさらに極端になります。

オブジェクトと共に移動しているオブザーバーがいる場合、オブジェクトの相対速度はゼロなので、このオブザーバーはオブジェクトが収縮しているとは認識しません。 その観測者の基準フレームでは、宇宙の残りの部分が観測者に対して動いている間、オブジェクトは静止しているため、その観測者の視点から見ると、宇宙の残りの部分が収縮します。

長さの収縮を受けているオブジェクトの測定された長さの変化は、人間の目やカメラで見られるように、オブジェクトが実際に視覚的に見える方法とは異なります。独自の光の速度。 このような速度では、オブジェクトのさまざまな部分から同時に放出される光子は、かなり異なる時間に観測者に到達し、オブジェクトの視覚的な外観を歪めます。 したがって、高速で観察者に向かって移動するオブジェクトは歪むため、実際には、長さの収縮にもかかわらず、目視検査ではより長く見えます。 オブザーバーから遠ざかるオブジェクトは、実際の長さの収縮に加えて、同じタイムラグ効果により短く見え、オブザーバーを通過するオブジェクトは斜​​めに傾いている、または回転しているように見えます。