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第3講重力の問題No2 [ストリングについて]

アインシュタインが考えた時空の性質について
例をあげながら説明します。

タオルの四隅を持って広げてください。
そのタオルの真中付近に鉄のボールもしくは野球のボールを
(何でもいいのですが)置いてください。
そうすると当たり前ですが、ボールの重さで凹み
ボールの周りにくぼみができます。
これこそがアインシュタインの考えた重力の正体です。
物体が存在すると時空をタオルのように曲げます。
のせる物体が重ければ重いほどくぼみは大きくなります。
そのできたくぼみの近くにビー玉をおくと…
ビー玉はくぼみに落ちていき真中の鉄のボールにぶつかります。
これが重力が働くということです。
くぼみにおちたビー玉はそのままにしておけば
ずっと落ちたままです。これが重力が我々にずっと働いている様子です。
また、うまくビー玉をくぼみの落ちる方向とは垂直方向に初速を与えると
くぼみの周りをビー玉が回り始めます。
これはすり鉢でやった方が分かりやすいです。
適度なスピードを与えるビー玉はすりばちの周りをくるくる回ります。
これが太陽の周りを回り続ける地球のようなものです。

このように「重力は時空が曲がること」だと捉えたのが
アインシュタインの発想です。
ニュートンによればリンゴと地球の間には引力が働いている
ということですが
アインシュタインの理論からみれば重力はこのような意味の力ではなく
地球が時空を曲げ、そのくぼみにリンゴが落ちてくるということです。
そしてこの時空は一般相対性理論によると光までも曲げてしまいます。

現在に至るまで相対性理論の正しさは多くの実験で示されています。
相対性理論に矛盾する実験結果は一つもありません。
この中で私が最初に感銘を受けた有名な実験について書いておきます。

太陽の周りを回る惑星は楕円軌道を描いています。
その楕円軌道の焦点に太陽はあるわけですが、惑星が太陽にもっとも近づく
日を近日点といいます。この近日点に関して
19世紀にフランスのルベリエという人が水星の近日点が長い年月のうちに
徐々にずれていることを発見します。
これは主に太陽系の他の惑星の重力の影響で起こります。
この近日点移動をルベリエはニュートンの万有引力の法則を使って
大部分は説明したのですが…のこりの7.5%を説明出来ませんでした。
これは普通の人なら誤差や他のなにかの影響だと考えてしまいますが
ルベリエはこの問題を「天文学者の注意を引くに値する」大問題だと
述べています。
ルベリエは自分の計算に絶対の自信をもっていました。
それは当時天王星の運動にも説明できない食い違いがあり
それをルベリエは天王星の外側に未発見の惑星があるためだと考え
ニュートンの万有引力の法則を使って
どこを探せばその惑星があるかを予言しました。
その予言は見事に的中し「海王星の発見」となったのです。
水星の問題も当初は未発見の惑星のせいだと思われていましたが…
その後、どこを探しても未発見の惑星は見つかりませんでした。

そんな折、アインシュタインは未発見の惑星がなくてもこの7.5%の部分は
一般相対性理論によって説明できることを示したのです[ひらめき]
ニュートン力学が完全ではなく、そのわずかな部分を相対性理論が説明したのです。

ここまでアインシュタインまでの重力の捉え方についておおまかに
書いてきましたが
相対性理論でも現在の素粒子理論でも、まだ重力に関する大きな問題が残っています。
それは、これらの理論に重力が必要だという必然性がないということです。
つまり、重力がなくてもこれらの理論は成立するのです。
ところが実際には重力があります。
この重力の正体をつきとめることこそが大きな問題なのです。
量子論や相対論などを超える重力の必然性までを含めた大きな理論というのを
現在世界の理論物理学者が考えています。
その一つがこれから私が説明していく「超弦理論」なのです。
Stringは重力を説明できますし、重力をなくせば理論として成り立たない
重力を必要とする理論です。
そこが、一番最初に私がこの理論について考え始めるきっかけでもありました。
勿論、いまの段階で「超弦理論」にも看過できない大きな問題もあります。
それらを含めてこれから順番に
出来るだけ分かりやすく書いていきたいと思います。
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