なぜ人工衛星の方が地球より時間が遅くなるのか？相対性理論を使った解説

地球が公転しながら移動しているのに対し、人工衛星が秒速8万キロメートルで移動している際、どうして人工衛星の方が時間が遅くなるのか、という疑問について詳しく解説します。これは相対性理論、特にアインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論に基づく現象です。

1. 時間の遅れ（時間の膨張）とは？

時間が遅くなる現象は、特殊相対性理論における「時間の膨張」によるものです。特殊相対性理論によると、物体の速度が光速に近づくにつれて、その物体上の時計の進み方は遅くなります。つまり、速く移動する物体では時間が遅れるという性質を持っています。

2. 地球と人工衛星の速度と時間の違い

地球は公転軌道に沿って秒速約30キロメートルの速度で移動しています。対して、人工衛星は秒速8万キロメートル程度の速度で移動しています。人工衛星の方が地球よりも高速で移動しているため、特殊相対性理論における時間の遅れが顕著に現れるのです。

3. 地球と人工衛星で異なる影響

地球と人工衛星の間で時間の違いが生じる理由は、速度だけでなく、重力の影響も関係しています。一般相対性理論によれば、強い重力場では時間が遅く進みます。地球の表面では重力が強く働きますが、人工衛星は地球の引力圏外に近い位置で動いています。そのため、人工衛星では重力の影響が少なく、時間の進み方が速くなり、これが地球上の時間よりも遅く進む原因となります。

4. 相対性理論を使った時間の遅れの計算

相対性理論を使った計算によって、秒速8万キロメートルで移動している人工衛星がどれくらい時間が遅れるのかを具体的に計算できます。計算式には、ローレンツ因子という数式が関係しており、この因子を使って時間の進み方の遅れを求めることができます。

5. まとめ：高速で動く物体の時間の遅れ

結論として、地球が秒速10万キロメートルで移動している中で、人工衛星が秒速8万キロメートルの速度で移動していると、人工衛星の方が時間が遅くなるのは、相対性理論による時間の膨張が主な原因です。高速で移動する物体では時間が遅れるため、人工衛星の時間の進み方が遅くなります。