参照フレーム入門

私はこのビデオで参照フレーム (評価基準系) という考えについて話をしたいと思います。 これは入門のビデオですが， 後のビデオでは，私たちはもっとこれに ついて深く見ていきたいと思います。 そして参照フレームとは 実はあなたがものごとを測定する 時の「視点」という考えです。 物理学では，たとえば速度や 変位のような多くの量を測定します。 それらの量は視点によって変化 する可能性があります。 それらは，私達がどの 参照フレームという 視点から測定するかに依存して これについての直感をつかむために， 私はここで，まったく 同じシナリオを， 3 つの異なった参照フレームから 見ている様子を描きます。 これが最初のもので， これが 2 番目のもの， そしてこれが 3 番目のものです。 この最初の参照フレームは 地上を参照フレームと しているものです。 ここでは，あなたが地上に 静止している観測者とします。 するとこれがあなたがここにいて， 測定をしている人だと考えましょう。 そうですね，速度を 測定したいとしましょう。 あなたの視点からでは，あなたは 地上に対して静止していますが， その場合には地上の 速度はどうなりますか? 地上にいるあなたから地上は 静止しているように見えます。 地上は動いていない ように見えるでしょう。 ではもしあなたがある物理の 測定器をとりだして， 飛行機と車のある特定の時間の 間の速度を測るとしましょう。 そして，この飛行機の右への速度は 250 メートル毎秒ですと言います。 250 メートル毎秒です。 そしてこの車は車としては速い方で， 左に 50 メートル毎秒です。 この矢印はこちらの 5 分の 1 の長さにするべきですね。 もう少し短いです。 すると，これは左に 50 メートル 毎秒で動くとします。 ここにあるものは，まったく非現実と いうものではないです。 たとえば高速道路を見ていたら，… そうですね。たしかに 50 メートル毎秒 という車が高速道路にいるのは (国によっては) 速すぎるかもしれません。 とにかく，こういうことを観測する ことがあるということは， ある意味妥当なことです。 しかしもし，参照フレームを 変更したとしたら， つまりものごとを測定する 視点を変更したらどうでしょうか。 では参照フレームを車に 変更してみましょう。 では，あなたがこの車の 中に座っているとします。 これをあなたが運転中にすることは おすすめできませんので， 誰か他の人が運転しているとか， 自動運転の自動車のような ものに乗っているとして， あなたがストップウォッチ付きの 物理の道具を取りだして， 地上からの頭上の飛行機との変化がどれくらいか， ある時間， たとえば 1 秒間にわたって測ります。 すると，あなたの視点からは，まず この車は静止していると言うでしょう。 この車は速度 0 である。 この車は静止している。 そしてあなたの視点からは， 地上が動いていることを 測定するでしょう。 あなたは木々が横を右へ，または 後ろへ通りすぎるのをみるでしょう。 あなたが左に動いているのなら， そうなります。 するとあなたの視点からは， 地上は実際にこの方向に 50 メートル毎秒で動いて いるように見えます。 それはあなたの後方に，この 場合私達から見て右側に 50 メートル毎秒で動いています。 さて，ではこの飛行機は どのように見えるでしょうか? この飛行機は右に 250 メートル 毎秒で動いているだけではありません。 単に 250 メートル毎秒で 動いているだけではなく， あなたに対しては，さらに速く 動いているように見えます。 なぜなら，あなたは飛行機と すれ違っているからです。 あなたは地上に対して静止 しているものに対して， 50 メートル毎秒で 左側に動いています。 するとこの飛行機はあなたに対して， 250 メートル毎秒たす 50メートル毎秒で動いている ように見えますから， そのベクトルは，こんな 感じになるでしょう。 するとこれはこんなふうに， 右に 300 …。 これはオレンジ色で書きましょう。 300 メートル毎秒です。 では，この飛行機の視点 からはどうでしょうか? もしこの飛行機の参照フレームから 考えたらどうでしょうか? ぜひここでビデオをポーズして， 飛行機，車，地面の速度について， 飛行機の視点からどうなるか を自分で考えてみて下さい。 よし，では一緒に 考えていいましょう。 さて，私達は飛行機の 中に座っていて， 先程と同じく，私達が飛行機を 操縦するのではなくて， 誰か他の人が操縦しているとします。 私達には物理の測定器があって， 私の参照フレームから，これら他の ものの速度を測定しようとしています。 するとまず最初に言えることは，この 飛行機が静止しているということです。 これは直感的でないという ふうに感じるかもしれません。 しかしもしあなたが実際に 飛行機に乗って， 特に何も乱流などがない場合， ある高度を既に飛行機が 定常飛行している場合， 離陸時や着陸時ではない場合には， 目を閉じるとしばしば あなたが動いているかどうか わからなくなるでしょう。 実際に，もし全ての窓が 閉じていると， 静止している物体の中， たとえば家の中にいるように 感じることがあるでしょう。 すると，この飛行機の視点 からは，あなたはまるで… 飛行機の中にいる あなたの視点からは 飛行機が静止している ように感じるでしょう。 しかしながら，地上は まるでとても速く 動いているように見えるでしょう。 まるで地上はあなたの横を 250 メートル毎秒で過ぎて いくように感じるでしょう。 うーん。直線を描こうとしています。 250… このお絵書きツールが どうも上手く動きません。 すると，250 メートル毎秒で 左に動いています。 そしてこの車は，左に さらに速く動いています。 地上よりもさらに 50 メートル 毎秒速く左に動いています。 するとこの車は単純に 50 メートル毎秒の速さではなく， 50 メートル毎秒たす 250 メートル毎秒速く， 全部で 300 メートル毎秒で 左に移動しています。 これでいったい何が参照フレーム なのかについてわかることでしょう。 この入門のビデオでは，それは あなたが何かを測定する時の 視点のことだと見る ことができるでしょう。 さて多くの人は，「正しい 1 つの 参照フレームがあるはずだ」 と考える誘惑に魅かれます。 そして私達の日常生活では， 多分あなたはこれが正しい参照 フレームだと思うかもしれません。 そして他のこれらは， 単なる想像の産物だとか， 単なる間違いだとか 思うかもしれません。 どうして地上がそうだと (正しい 参照フレームだと) 思うかは， 私達は参照フレームとして この大きな， 巨大なもの，地球という ものをよく使うからです。 しかし，実は，これらのうちの どの参照フレームも， 他よりも妥当だと いうことはありません。 これらは全て等価で， 妥当な参照フレームです。 いや，私は「等価」とは 言わない方がいいですね。 私達は明らかにこれらのそれぞれ から違う測定結果を得ていますから。 しかし，物理学的な視点からは これらは全て同等に妥当で 有効な参照フレームです。