2017年3月31日金曜日

Einstein's Theory of Special Relativity

Einstein's Theory of Special Relativity

The theory of special relativity explains how space and time are linked for objects that are moving at a consistent speed in a straight line. One of its most famous aspects concerns objects moving at the speed of light. 
Simply put, as an object approaches the speed of light, its mass becomes infinite and it is unable to go any faster than light travels. This cosmic speed limit has been a subject of much discussion in physics, and even in science fiction, as people think about how to travel across vast distances.
The theory of special relativity was developed by Albert Einstein in 1905, and it forms part of the basis of modern physics. After finishing his work in special relativity, Einstein spent a decade pondering what would happen if one introduced acceleration. This formed the basis of his general relativity, published in 1915.
Advertisement
History
Before Einstein, astronomers (for the most part) understood the universe in terms of three laws of motion presented by Isaac Newton in 1686. These three laws are: 
(1) Objects in motion (or at rest) remain in motion (or at rest) unless an external force imposes change.
(2) Force is equal to the change in momentum per change of time. For a constant mass, force equals mass times acceleration.
(3) For every action, there is an equal and opposite reaction.
But there were cracks in the theory for decades before Einstein's arrival on the scene, according to Encyclopedia Britannica. In 1865, Scottish physicist James Clerk Maxwell demonstrated that light is a wave with both electrical and magnetic components, and established the speed of light (186,000 miles per second). Scientists supposed that the light had to be transmitted through some medium, which they called the ether. (We now know that no transmission medium is required, and that light in space moves in a vacuum.)
Twenty years later, an unexpected result threw this into question. Physicist A.A. Michelson and chemist Edward Morley (both Americans at the time) calculated how Earth's motion through this "ether" affected how the speed of light is measured, and found that the speed of light is the same no matter what Earth's motion is. This led to further musings on light's behavior — and its incongruence with classical mechanics — by Austrian physicist Ernst Mach and French mathematician Henri Poincare.
Einstein began thinking of light's behavior when he was just 16 years old, in 1895. He did a thought experiment, the encyclopedia said, where he rode on one light wave and looked at another light wave moving parallel to him. 
Classical physics should say that the light wave Einstein was looking at would have a relative speed of zero, but this contradicted Maxwell's equations that showed light always has the same speed: 186,000 miles a second. Another problem with relative speeds is they would show that the laws of electromagnetism change depending on your vantage point, which contradicted classical physics as well (which said the laws of physics were the same for everyone.)
This led to Einstein's eventual musings on the theory of special relativity, which he broke down into the everyday example of a person standing beside a moving train, comparing observations with a person inside the train. He imagined the train being at a point in the track equally between two trees. If a bolt of lightning hit both trees at the same time, due to the motion of the train, the person on the train would see the bolt hit one tree before the other tree. But the person beside the track would see simultaneous strikes.
"Einstein concluded that simultaneity is relative; events that are simultaneous for one observer may not be for another," the encyclopedia stated. "This led him to the counterintuitive idea that time flows differently according to the state of motion, and to the conclusion that distance is also relative."

Famous equation

Einstein's work led to some startling results, which today still seem counterintuitive at first glance even though his physics is usually introduced at the high school level. 
2015 marks 100 years since the publication of Albert Einstein's General Theory of Relativity. Learn the basics of Einstein's theory of relativity in our infographic here.
Credit: By Karl Tate, Infographics Artist
One of the most famous equations in mathematics comes from special relativity. The equation — E = mc2— means "energy equals mass times the speed of light squared." It shows that energy (E) and mass (m) are interchangeable; they are different forms of the same thing. If mass is somehow totally converted into energy, it also shows how much energy would reside inside that mass: quite a lot. (This equation is one of the demonstrations for why an atomic bomb is so powerful, once its mass is converted to an explosion.)
This equation also shows that mass increases with speed, which effectively puts a speed limit on how fast things can move in the universe. Simply put, the speed of light (c) is the fastest velocity at which an object can travel in a vacuum. As an object moves, its mass also increases. Near the speed of light, the mass is so high that it reaches infinity, and would require infinite energy to move it, thus capping how fast an object can move. The only reason light moves at the speed it does is because photons, the quantum particles that make up light, have a mass of zero.
A special situation in the universe of the small, called "quantum entanglement," is confusing because it seems to involve quantum particles interacting with each other at speeds faster than the speed of light. Specifically, measuring the property of one particle can instantly tell you the property of another particle, no matter how far away they are. Much has been written about this phenomenon, which is still not fully explained in terms of Einstein's conclusions. 
Another strange conclusion of Einstein's work comes from the realization that time moves relative to the observer. An object in motion experiences time dilation, meaning that time moves more slowly when one is moving, than when one is standing still. Therefore, a person moving ages more slowly than a person at rest. So yes, when astronaut Scott Kelly spent nearly a year aboard the International Space Station in 2015-16, his twin astronaut brother Mark Kelly aged a little faster than Scott.
This becomes extremely apparent at speeds approaching the speed of light. Imagine a 15-year-old traveling at 99.5 percent the speed of light for five years (from the astronaut's perspective). When the 15-year-old gets back to Earth, according to NASA, he would be only 20 years old. His classmates, however, would be 65 years old.
While this time dilation sounds very theoretical, it does have practical applications as well. If you have a Global Positioning Satellite (GPS) receiver in your car, the receiver attempts to find signals from at least three satellites to coordinate your position. The GPS satellites send out timed radio signals that the receiver listens to, triangulating (or more properly speaking, trilaterating) its position based on the travel time of the signals. The challenge is, the atomic clocks on the GPS are moving and would therefore run faster than atomic clocks on Earth, creating timing issues. So, engineers need to make the clocks on a GPS tick slower, according to Richard Pogge, an astronomer at Ohio State University.
The clocks in space tick faster, according to Physics Central, because the GPS satellites are above Earth and experience weaker gravity. So even though the GPS satellites are moving and experience a seven-microsecond slowing every day because of their movement, the result of the weaker gravity causes the clocks to tick about 45 microseconds faster than a ground-based clock. Adding the two together results in the GPS satellite clock ticking faster than a ground-based clock, by about 38 microseconds daily.

Special relativity and quantum mechanics

As our knowledge of physics has advanced, scientists have run into more counterintuitive situations. One is trying to reconcile general relativity — which describes well what's going on with large objects — with quantum mechanics, which is best used for very small things (such as uranium atom decay). The two fields, which excellently describe their individual fields, are incompatible with one another — which frustrated Einstein and generations of scientists after him.
"Relativity gives nonsensical answers when you try to scale it down to quantum size, eventually descending to infinite values in its description of gravity. Likewise, quantum mechanics runs into serious trouble when you blow it up to cosmic dimensions," an article in The Guardian pointed out in 2015. 
"Quantum fields carry a certain amount of energy, even in seemingly empty space, and the amount of energy gets bigger as the fields get bigger. According to Einstein, energy and mass are equivalent (that's the message of E=mc2), so piling up energy is exactly like piling up mass. Go big enough, and the amount of energy in the quantum fields becomes so great that it creates a black hole that causes the universe to fold in on itself. Oops."
There are several ideas to overcome this (which are beyond the scope of this article), but one approach is to imagine a quantum theory of gravity that would have a massless particle (called the graviton) to generate the force. But as physicist Dave Goldberg pointed out in io9 in 2013, there are problems with that. At the smallest scales, gravitons would have infinite energy density, creating an unimaginably powerful gravity field. More study will be required to see if this is possible.
 
とても興味深く読みました：
 
再生核研究所声明359（2017.3.20）　ゼロ除算とは何か　―　本質、意義

ゼロ除算の理解を進めるために　ゼロ除算とは何か　の題名で、簡潔に表現して置きたい。　構想と情念、想いが湧いてきたためである。
基本的な関数y=1/x を考える。　これは直角双曲線関数で、原点以外は勿論、値、関数が定義されている。問題はこの関数が、x=0 　で　どうなっているかである。結論は、この関数の原点での値を　ゼロと定義する　ということである。　定義するのである。定義であるから勝手であり、従来の定義や理論に反しない限り、定義は勝手であると言える。原点での値を明確に定義した理論はないから、この定義は良いと考えられる。それを、y=1/0=0　と記述する。ゼロ除算は不可能であるという、数学の永い定説に従って、1/0　の表記は学術書、教科書にもないから、1/0=0　の記法は　形式不変の原理、原則　にも反しないと言える。―　多くの数学者は注意深いから、1/0=\infty　の表記を避けてきたが、想像上では x　が　0　に近づいたとき、限りなく　絶対値が大きくなるので、複素解析学では、表現1/0=\infty　は避けても、1/0=\infty　と考えている事は多い。（無限大の記号がない時代、アーベルなどもそのような記号を用いていて、オイラーは1/0=\inftyと述べ、それは間違いであると指摘されてきた。　しかしながら、無限大とは何か、数かとの疑問は　続いている。）。ここが大事な論点である。近づいていった極限値がそこでの値であろうと考えるのは、極めて自然な発想であるが、現代では、不連続性の概念　が十分確立されていて、極限値がそこでの値と違う例は、既にありふれている。―　アリストテレスは　連続性の世界観をもち、特にアリストテレスの影響を深く受けている欧米の方は、この強力な不連続性を中々受け入れられないようである。無限にいくと考えられてきたのが突然、ゼロになるという定義になるからである。　しかしながら、関数y=1/xのグラフを書いて見れば、原点は双曲線のグラフの中心の点であり、美しい点で、この定義は魅力的に見えてくるだろう。
定義したことには、それに至るいろいろな考察、経過、動機、理由がある。―　分数、割り算の意味、意義、一意性問題、代数的な意味づけなどであるが、それらは既に数学的に確立しているので、ここでは触れない。
すると、定義したからには、それがどのような意味が存在して、世の中に、数学にどのような影響があるかが、問題になる。これについて、現在、初等数学の学部レベルの数学をゼロ除算の定義に従って、眺めると、ゼロ除算、すなわち、　分母がゼロになる場合が表現上現れる広範な場合に 新しい現象が発見され、ゼロ除算が関係する広範な場合に大きな影響が出て、数学は美しく統一的に補充，完全化されることが分かった。それらは現在、３８０件以上のメモにまとめられている。しかしながら、世界観の変更は特に重要であると考えられる：

複素解析学で無限遠点は　その意味で1/0=0で、複素数0で表されること、アリストテレスの連続性の概念に反し、ユークリッド空間とも異なる新しい空間が　現れている。直線のコンパクト化の理想点は原点で、全ての直線が原点を含むと、超古典的な結果に反する。更に、ゼロと無限の関係が明らかにされてきた。
ゼロ除算は、現代数学の初等部分の相当な変革を要求していると考えられる。

以　上
付記：　The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world

Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh　International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue  1, 2017), 1 -16.　
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

Relations of 0 and infinity
Hiroshi Okumura, Saburou Saitoh　and Tsutomu Matsuura：
http://www.e-jikei.org/…/Camera%20ready%20manuscript_JTSS_A…


再生核研究所声明353（2017.2.2）　ゼロ除算　記念日

2014.2.2　に 一般の方から100/0　の意味を問われていた頃、偶然に執筆中の論文原稿にそれがゼロとなっているのを発見した。直ぐに結果に驚いて友人にメールしたり、同僚に話した。それ以来、ちょうど３年、相当詳しい記録と経過が記録されている。重要なものは再生核研究所声明として英文と和文で公表されている。最初のものは

再生核研究所声明　148（2014.2.12）:　100/0=0,  0/0=0　－　割り算の考えを自然に拡張すると　―　神の意志

で、最新のは

Announcement 352 (2017.2.2):  On the third birthday of the division by zero z/0=0　

である。
アリストテレス、ブラーマグプタ、ニュートン、オイラー、アインシュタインなどが深く関与する　ゼロ除算の神秘的な永い歴史上の発見であるから、その日をゼロ除算記念日として定めて、世界史を進化させる決意の日としたい。ゼロ除算は、ユークリッド幾何学の変更といわゆるリーマン球面の無限遠点の考え方の変更を求めている。―　実際、ゼロ除算の歴史は人類の闘争の歴史と共に　人類の愚かさの象徴であるとしている。
心すべき要点を纏めて置きたい。

１）     ゼロの明確な発見と算術の確立者Brahmagupta (598 - 668 ?)　は　既にそこで、0/0=0　と定義していたにも関わらず、言わば創業者の深い考察を理解できず、それは間違いであるとして、１３００年以上も間違いを繰り返してきた。
２）     予断と偏見、慣習、習慣、思い込み、権威に盲従する人間の精神の弱さ、愚かさを自戒したい。我々は何時もそのように囚われていて、虚像を見ていると　真智を愛する心を大事にして行きたい。絶えず、それは真かと　問うていかなければならない。
３）     ピタゴラス派では　無理数の発見をしていたが、なんと、無理数の存在は自分たちの世界観に合わないからという理由で、―　その発見は都合が悪いので　―　、弟子を処刑にしてしまったという。真智への愛より、面子、権力争い、勢力争い、利害が大事という人間の浅ましさの典型的な例である。
４）     この辺は、２０００年以上も前に、既に世の聖人、賢人が諭されてきたのに　いまだ人間は生物の本能レベルを越えておらず、愚かな世界史を続けている。人間が人間として生きる意義は　真智への愛にある　と言える。
５）     いわば創業者の偉大な精神が正確に、上手く伝えられず、ピタゴラス派のような対応をとっているのは、本末転倒で、そのようなことが世に溢れていると警戒していきたい。本来あるべきものが逆になっていて、社会をおかしくしている。
６）     ゼロ除算の発見記念日に　繰り返し、人類の愚かさを反省して、明るい世界史を切り拓いて行きたい。
以　上

追記：

The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world:

Division by Zero z/0 = 0 in Euclidean Spaces
Hiroshi Michiwaki, Hiroshi Okumura and Saburou Saitoh
International Journal of Mathematics and Computation Vol. 28(2017); Issue  1, 2017), 1-16.　
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf

再生核研究所声明357（2017.2.17）Brahmagupta　の名誉回復と賞賛を求める。

再生核研究所声明　３３９で　次のように述べている：

世界史と人類の精神の基礎に想いを致したい。ピタゴラスは　万物は数で出来ている、表されるとして、数学の重要性を述べているが、数学は科学の基礎的な言語である。ユークリッド幾何学の大きな意味にも触れている（再生核研究所声明315（2016.08.08）　世界観を大きく変えた、ユークリッドと幾何学）。しかしながら、数体系がなければ、空間も幾何学も厳密には　表現することもできないであろう。この数体系の基礎はブラーマグプタ（Brahmagupta、598年 – 668年?）インドの数学者・天文学者によって、628年に、総合的な数理天文書『ブラーマ・スプタ・シッダーンタ』（ब्राह्मस्फुटसिद्धान्त Brāhmasphuṭasiddhānta）の中で与えられ、ゼロの導入と共に四則演算が確立されていた。ゼロの導入、負の数の導入は数学の基礎中の基礎で、西欧世界がゼロの導入を永い間嫌っていた状況を見れば、これらは世界史上でも顕著な事実であると考えられる。最近ゼロ除算は、拡張された割り算、分数の意味で可能で、ゼロで割ればゼロであることが、その大きな影響とともに明らかにされてきた。しかしながら、　ブラーマグプタは　その中で 0 ÷ 0 ＝ 0 と定義していたが、奇妙にも１３００年を越えて、現在に至っても　永く間違いであるとされている。現在でも0 ÷ 0について、幾つかの説が存在していて、現代数学でもそれは、定説として　不定であるとしている。最近の研究の成果で、ブラーマグプタの考えは　実は正しかった　ということになる。　しかしながら、一般の　ゼロ除算については触れられておらず、永い間の懸案の問題として、世界を賑わしてきた。現在でも議論されている。ゼロ除算の永い歴史と問題は、次のアインシュタインの言葉に象徴される：

Blackholes are where God divided by zero. I don't believe in mathematics. George Gamow (1904-1968) Russian-born American nuclear physicist and cosmologist re-
marked that "it is well known to students of high school algebra" that division by zero is not valid; and Einstein admitted it as the biggest blunder of his life [1] 1. Gamow, G., My World Line (Viking, New York). p 44, 1970.

物理学や計算機科学で　ゼロ除算は大事な課題であるにも関わらず、創始者の考えを無視し、割り算は　掛け算の逆との　貧しい発想で　間違いを１３００年以上も、繰り返してきたのは　実に残念で、不名誉なことである。創始者は　ゼロの深い意味、ゼロが　単純な算数・数学における意味を越えて、ゼロが基準を表す、不可能性を表現する、神が最も簡単なものを選択する、神の最小エネルギーの原理、すなわち、神もできれば横着したいなどの世界観を感じていて、0/0=0 を自明なもの　と捉えていたものと考えられる。実際、巷で、ゼロ除算の結果や、適用例を語ると　結構な　素人の人々が　率直に理解されることが多い。
１３００年間も　創始者の結果が間違いであるとする　世界史は修正されるべきである、間違いであるとの不名誉を回復、数学の基礎の基礎である算術の確立者として、世界史上でも高く評価されるべきである。　真智の愛、良心から、厚い想いが湧いてくる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以　上

追記

The division by zero is uniquely and reasonably determined as 1/0=0/0=z/0=0 in the natural extensions of fractions. We have to change our basic ideas for our space and world:
http://www.scirp.org/journal/alamt　 　http://dx.doi.org/10.4236/alamt.2016.62007
http://www.ijapm.org/show-63-504-1.html
http://www.diogenes.bg/ijam/contents/2014-27-2/9/9.pdf
投稿者 時刻:

0 件のコメント:

コメントを投稿

登録: コメントの投稿 (Atom)