※本記事では、「現実の本質にかかわる難題を問う4つの思考実験」の記事内で紹介しているひとつ、アインシュタインの「列車と堤防の思考実験（The train/embankment thought experiment）」について解説していきます。
Albert Einstein（アルベルト・アインシュタイン / 1879年3月14日～1955年4月18日）は、誰もが知る20世紀を代表する物理学者でしょう。そして、彼が提起した論理の中でも「特殊相対性理論」と「一般相対性理論」は特に有名です。ですが、それ以外にも（驚くべきは特殊相対性理論発表と同じ年の1905年に発表した）「光量子仮説」も見逃してはなりません、これは『光の発生と変換に関する1つの発見的な見地について』内で導入したもので、1916年に物理学者ロバート・ミリカンの実験によってこの光量子仮説が証明されることで、アインシュタインは1921年にノーベル物理学賞を受賞します。
また、日本でも中学生の頃に理科の授業で習った「ブラウン運動」も…。これはそもそもは1827年に植物学者ロバート・ブラウンが、水面上に浮かべた花粉が破裂して中から出てきた微粒子が不規則に動くことを発見し、それを論文『植物の花粉に含まれている微粒子について』で発表したものです。この現象は長い間原因が不明のままでありましたが、1905年にアインシュタインによって熱運動する媒質の分子の不規則な衝突によって引き起こされているという論文が発表されます。この論文によって、当時まだ不明確であった原子および分子の存在が、実験的に証明できる可能性を示したのです。
アインシュタインの“思考実験”は、
列車への落雷を目撃する二人が主人公
いくつもの革新的すぎる理論によって、ニュートン以来の物理学を根底から覆したアインシュタインは、この宇宙を含めた世界のあり方に関して私たちの世界観を一変させてくれたのです。まさに20世紀最大の物理学者、「現代物理学の父」と呼ばれているのにも誰も反論することはできないでしょう。
では、そんなアインシュタインはどのようにして物理学の世界を揺るがすような革新的・革命的な理論を発想するに至ったのでしょうか？ そこには、彼の発想の源である“思考実験（Thought Experiment）”というプロセスが存在していたからです。
この“思考実験”とは、頭の中で想像するのみ。科学の基礎原理に反しない限りで、極度に単純・理想化された前提で行われるという想定上の実験になります。ある特定の前提や条件を設定したうえで、頭の中で推論を重ねながら考えを深めていき、結論を導き出すというもの。通常の実験のように実験器具で測定することもなく、「もし～なら、何が起こるだろうか？ 起こっただろうか？」といった仮説的に思考を重ねてゆくことです。
4、5歳の頃アインシュタインは父親に見せられた方位磁石を見て、磁石の針がいつも決まった方向を向いていることに非常に興味を持ったということ。16 歳のときには、「もし光を光と同じ速さで追いかけたらどうみえるのだろうか？」という夢を見たそうです。そして、「光の速さで飛べることができたら、自分の目の前に置いた鏡に自分の顔が映るのだろうか？」とふと疑問に思ったことが伝えられています。おそらく、そのまま彼は“思考実験”を重ねていたのでしょう。その約10年後に、相対性理論をカタチができはじめるのですから…。
「数学的道具を使わないで、できるかぎり精確な洞察を与えよう」と、自ら筆を執った唯一の一般向け解説書『Relativity: The Special and General Theory（特殊および一般相対性理論について）』が1920年に出版されますが…それ以前、つまり執筆中のときであろう頃に、アインシュタインは「時間とは何か？」という時代遅れの概念を解き明かそうと思考実験を重ねていたのです。それまでの常識では、「時間とは、いかなる場合も常に不変である」と考えられていました。
そこでアインシュタインは、片方が移動中でもう一方が静止しているというように物理的な立場が異なっている場合、起きる出来事が同時でないことを示してみせたのです。つまり時間は、実際には相対的なものということを論じました。この概念を説明するためアインシュタインは、長い列車が堤防（もしくは土手）と平行して走り去る状況下、以下のようなシナリオを想定しています。
主人公Mが登場します。彼は線路と並行にある程度の長さ（個人的には、列車の2倍以上は欲しいところです）で設置されている堤防、または土手の上にいます。すると、その先に見える線路上を列車が速度vの速さで左から右へと通り過ぎるのですが、その列車のちょうど中央に、友人のM'が乗っているといった状況です。そして、主人公Mのちょうど真正面の位置に走り去ろうとする列車の中の友人Ｍ’との立ち位置が重なった瞬間、列車の先頭B地点と後尾A地点に対して同時に落雷が生じたと思ってください…。
A地点とB地点から発せられたふたつの閃光は、A・B地点のちょうど中間にいる堤防側のMに対しては同時に到達するはずです。その一方で、列車に乗っているM'の目にはBの閃光のほうがA側の閃光よりもほんのわずかですが早く見えるはずです。実際、体感では認識できかとは思いますが、計算上…電車の中の友人M’にとっては、たとえ列車が光の速度およそ10億7900万km/hとされる値の1000万分の1以下の速度で走っていたとしても、前方の落雷のポイントへ近づいている途中に起こった出来事。列車に乗っている人の視点から見れば、2つの落雷による閃光は全く同時に認識することはできない…と推測できるはずです。
この思考実験からアインシュタインは、『移動している人と静止している人では、時間の流れが異なることを示している』と結論づけたのです。
そんな思考実験を重ね、それをまとめた相対性理論は、この世に重大な結果をもたらしました。宇宙の幾何学（中学の段階では図形と呼ばれる分野であり、人間が知覚できる空間内の物体や諸現象の観察を通して、そこから得られた図形の性質を研究する必要性から起こった学問）と、その運用に関する基本原則を一変させてしまいました。
ブリタニカ百科事典には、特殊相対性理論および一般相対性理論は「それ以前の物理理論の基礎となる前提の多くを根底から覆（くつがえ）し、その過程において、宇宙、時間、物質、エネルギー、重力などの基本概念を再定義した」とあります。
※あいままな解説で恐縮です。さらに正確かつ詳しく知りたい人は、ぜひご自身で研究を重ねてください。
Source / POPULAR MECHANICS
Translation / Satoru Imada
※この翻訳は抄訳です。
