物理学における不思議”なぜ時空は４次元か”に答える

仲座栄三 (Eizo NAKAZA)

琉球大学工学部 社会基盤デザインコース

University of the Ryukyus, Faculty of Eing., Dep. of Civil Eng..

物理学 70 の不思議「なぜ時空は 4 次元か？」に答える

日本物理学会が挙げる「物理学 70 の不思議」の一つに，「なぜ時空は 4 次元か」という問いがある．これは，ひとつにはアインシュタインの相対性理論において，時間と空間とは不可分であり，4 次元の時空が設定できるという定義に従っている．特殊相対性理論においても，空間と時間は不可分であり，4 次元の時空をなす．しかし，よく考えてみると，特殊相対性理論では，静止系と呼ぶ１つの慣性系では 3 次元直交座標系で表される空間と時間とが独立して定義され，ローレンツ変換を通じて運動系の 4 次元時空が決定される．しかし，相対性原理によって，一方の運動系を静止系と定義した上で議論を始めることも可能であるので，これは，先の 4 次元の時空とするローレンツ変換からの帰結に背く．物理学においては，たった１つの反論をもって論駁が十分となる．本論は，そのことについて論じている．

An answer to the question "Why is Space-Time Four-dimensional?"

One of the "70 Wonders in Physics" listed by the Physical Society of Japan is the question, "Why is space-time four-dimensional?" This is because in Einstein's theory of relativity, time and space are inseparable, and one follows the definition that a four-dimensional space-time can be set. Even in the special theory of relativity, space and time are inseparable and form a four-dimensional space-time.

However, if you think carefully about special relativity, the space represented by a three-dimensional orthogonal coordinate system and the time are defined independently in one inertial system called a stationary system. Then, a four-dimensional spacetime of a moving inertial coordinate system is determined through the Lorentz transformation. Yet it is also possible to start the discussion inversely after defining the moving system as a stationary system by means of the principle of relativity, so this goes against the consequences of the Lorentz transformation which gives it the four-dimensional space-time.

In physics, refutation is sufficient with only one objection; the question "Why Space-Time is Four-dimensional?" is resolved in this paper.