重力の謎

Posted by moonrainbow on 23.2016 科学   0 comments   0 trackback
重力に関する謎めいた6つの事実

重力

重力なんてものは空気と同じような存在で、生まれた時からそこにあるから、階段でつまずいて落ちたりしない限りはあまり意識したりはしないだろう

 古代の哲学者にとって重力は力ですらなかった。物体が地球の中心へ向かって沈み込むのは、単なる自然な傾向でしかなかったのです

 もちろん、今日ではそれがただ物を落とすだけのものではないことがわかっています。太陽を回る地球の動きを定め、銀河をまとめ合わせ、宇宙自体の構造までも決定してしまうほど重要なものなのです

 重力は地球上で物体が地面に近寄っていく現象や、それを引き起こすとされる「力」を呼ぶための呼称で、電磁力、弱い相互作用、強い相互作用と並び、自然界に存在する4つの基本的な力のひとつであると考えられています

 現代の重力の理論、すなわちアインシュタインの一般相対性理論は、人類史上もっとも成功した理論のひとつです。だが、それと同時に、これを他の力と統合する方法をはじめ、重力についてはまだ不明な点もあります。ここで紹介するのは、重力について判明していることです


1. 重力は既知の力では最弱

重力1
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 重力はただ引きつける。物体を反発させるような逆バージョンはない。それは銀河をまとめるだけの力があるが、実は人の力でも簡単に逆らえてしまうくらい弱い。例えば、一冊の本を持ち上げたのなら、それは地球が生み出している全重力に打ち勝っているということです

 比較のためにお伝えすると、原子内にある電子と陽子の間に働く電気力は、重力によって引かれる強さの100穣(10の30乗)倍です。なぜそんなに弱いのかわからないほど弱いのです

2. 重力と重さは同じではない

重力2
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 宇宙ステーションの宇宙飛行士はふわふわ浮かぶ。これは適当に無重力などと言われるが、それは正しくないのです。宇宙飛行士に働く重力は地球のそれの90パーセントもあるのです。それなのに宇宙飛行士の体重はなくなります。それは体重が、地球において地面(あるいは椅子やベッドなど、なんでもかまわない)が押し返すように働く力だからです

 例えば、豪華なホテルのエレベーターに置いた体重計を想像してもらいたい。あなたは不審な人物を見るような周囲の冷たい視線など気にせず、エレベーターが上下に動く間、体重計に乗り続けています。体重は増減し、エレベーターが加速と減速を繰り返しているように感じるでしょう。それでも重力は同じです

 反対に、軌道上では、宇宙飛行士は宇宙ステーションと一緒に移動しています。そこでは、彼らを宇宙船の壁に押しつけて体重を作り出すものがないのです。アインシュタインはこのアイデアを特殊相対性理論に応用して一般相対性理論を生み出したのです

3. 重力は光速で移動する波を作る

重力3
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 一般相対性理論は重力波を予言している。お互いの軌道に存在する2つの恒星か白色矮星かブラックホールがある場合、重力波がエネルギーを放出するため、それらはゆっくりと接近する。地球もまた太陽を公転しながら重力波を放っているが、エネルギーの損失は極小であるため、実際に気がつくことはない

 40年の間、重力波については間接的な証拠しかつかむことができなかったが、今年になってレーザー干渉計重力波観測所(LIGO)がようやくこの現象を確認するにいたった。20億光年以上離れた場所にある2つのブラックホールの衝突によって生み出された重力波の検出に成功したのだ

 相対性の帰結として、いかなるものも真空において光速を超える速さで移動することはできない。それは重力とて変わらない。太陽でなにか劇的なことが起きた場合、それが私たちのもとに届くのは光と同時である

4. 重力のミクロレベルの挙動は研究者をループに投げ込む

重力4
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 3つの基本的な力の性質は、最小のスケールにおいて量子論によって説明されている。しかし、重力を量子論で完全に扱うことにはまだ成功していない

 その試みの一つがループ量子重力理論という、量子物理学を用いて時空の構造を説明しようというものだ。それによれば、時空は最小のスケールでは、物質と同じように粒子のようなものだという。物質は制約によって柔軟な網目のような構造の上をある点からある点へと飛び跳ねる。これを踏まえて、ループ量子重力理論は原子核よりもはるかに小さなスケールにおける重力の効果を説明する

 もっと有名なアプローチは超ひも理論だ。これは重力子を含む粒子は、極小の次元に巻かれているひもの振動であると説明する。いずれにせよ、ループ量子重力理論も超ひも理論も、それ以外のいかなる理論も、ミクロレベルの重力の振る舞いを検証可能なレベルで説明することはできていない

5. 重力は質量のない重力子によって運ばれている可能性

重力5
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 標準モデルでは、粒子は力を運ぶ粒子を介して相互に作用していると説明する。例えば、光子は電磁力のフォースキャリアである。量子重力理論で仮定されている粒子は重力子だ。その動きについては一般相対性理論から多少の推測がされており、光子のように、重力子も質量がない可能性が高い

 仮に質量があれば、実験によって何らかの証拠が検出されていただろう。とは言え、質量が馬鹿げたほど小さい可能性もまったくないわけではない

6. 量子重力は最小の長さで出現する

重力6
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 重力は非常に弱いが、2つの物体を引き寄せるほどに強くなる。究極的には、プランク長と呼ばれる原子核の何倍も小さな極小の距離において、他の力の強さと並ぶようになる

 量子重力の強さが計測可能なほどに強くなるのはその状態であるが、実験によって証明するには小さすぎる。ミリメートル単位付近でも量子重力が出現すると提唱する理論もあるが、今のところ、その効果を観測することはできていない。また、大きな金属棒、すなわち超低温に保たれた原子の集合の振動を用いるという独創的な手法でもって、量子重力効果を増幅させようというものもある

 最小のスケールであれ、最大のスケールであれ、重力は科学者の意識を引き寄せてやまないようだ。その事実は、あなたが次に転んで意識が重力につかまれたとき、多少の慰めになるだろう

2016年09月17日
カラパイアより

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