重力波観測で注目・アインシュタインの相対性理論を簡単に解説。100年前の予言が証明されましたよー!

(出典:blog.livedoor.jp)

『重力波』を初観測。MITら国際研究チーム、アインシュタインの「最後の宿題」を100年目にしてクリア(Engadget)

マサチューセッツ工科大学(MIT)などからなる国際研究チームが「重力波」の観測に初めて成功したと発表しました。重力波とは、超新星爆発や中性子星連星の衝突合体などで発生する、空間や時間の歪み現象。アインシュタインは1916年に一般相対性理論からこの重力波の存在を予見していました。

(引用:『重力波』を初観測。MITら国際研究チーム、アインシュタインの「最後の宿題」を100年目にしてクリア(Engadget))

今から100年前に予言されていた重力波の存在がこのほど証明されました!この重力波を予言していたのはご存じアルベルト・アインシュタイン(1879〜1955)。ドイツ生まれの物理学者で有名な式「E=mc²」などは学生時代の物理で習った方もいらっしゃるかも。

天才が呼ぶ天才といっても過言ではないアインシュタイン。20世紀最大の革命といわれる「特殊相対性理論」および「一般相対性理論」では、これまでの人たちが当たり前とされてきた固定概念をいくつも打ち破った理論です。今回の重力波観測はアインシュタインからの最後の「宿題」として世界の科学者たちが観測に挑戦してきました。今回の成功報道で、相対性理論が再び注目を集めています。

その概要を、ざっくり紹介します。

光の速度は一定

たとえばクルマを運転するとき、すれ違うクルマは速く見え、後ろから近づいてくるクルマは遅く見えます。しかし、光の速度(秒速約30万km)はどのように動いているものから見ても変わらないのです(光速度不変の原理)

光はあらゆるものの最高速度。光速を超えることはできない!

たとえば時速80kmで走行している電車の中を、進行方向に向かって時速20kmで走っていくと時速100kmとなります。

しかし秒速20万kmで移動しているロケットから秒速20万kmのロケットを進行方向に打っても秒速40万kmにはなりません。それどころか光の速度(秒速約30万km)よりも遅くなります。

※なぜ光速を超えられないか?については以下のページに譲ります。

光の速さは超えられるか? その1(1-4/相対性理論)

時間は絶対ではない!

月から動いている宇宙船が見えると仮定します。宇宙船が光速の90%のスピードのとき、月の1秒間で宇宙船は約0.4秒しか経過していません。逆に宇宙船の中から月を見ても、宇宙船の1秒間で月は約0.4秒しか経過していません。このように私たちの日常生活で一定と感じている「時間」は、宇宙空間では大きく変化します。

光速に近い速さで移動すると空間も縮む

光速に近い宇宙船から見た地球やその他の星、空間は縮んで見える。一方で、地球から見た宇宙船も縮んでいるように見えます。

質量はエネルギーに変化できる

物体の質量はその物体の持つエネルギーの尺度である。

つまり質量 = エネルギーであり、わずかな質量でも膨大なエネルギーに変換することができると説いています。原子力発電は、この理論を活用して発電方法。

また、太陽が光っているのは太陽そのものの質量が減ってエネルギーに変換されているから。

※仮に5gの固形物質を全てエネルギーに変換することができれば、東京ドーム1杯分の水(20℃)を沸騰させることができるという。その技術はかなり難しいらしいのですが・・・

重力と加速度は同じ

周りが何も見えず、外部の音も聴こえないロケットの中では地上にいる状態と、上に向かって宇宙空間を突き進んでいる状態では同じ重力を受けているように感じます(等価原理)

重力は空間をゆがませる

「万有引力は空間のゆがみによって起こる」という、ニュートンの万有引力の法則の正体を明らかにしました。宇宙空間では物体は真っすぐ進んでいるのだが、空間のゆがみに沿っています。

光が重力によって曲がるという予言

重力場によって時空がゆがむと、そこを通過する光はそのゆがみに沿って曲がる。

光も太陽付近では、太陽のゆがみに沿って進むため、光の進路が変化します。この仮説は1919年の皆既日食時の実験で、星の見かけの位置がずれていることが確認されたことにより、正しいことが証明されました。

ブラックホールの予言

限られた空間にあまりにも大きな質量が集中すると、光さえ脱出できないブラックホールが形成されます。1970年代にはくちょう座X-1が発見され存在が明らかとなりました。

 

相対性理論をさらに知りたい方は以下の本をどうぞ!

【参考資料】

●アインシュタイン 相対性理論
第1回 Part1/Part2
第2回 Part1/Part2
第3回 Part1/Part2
第4回 Part1/Part2