ちょうど 100 年前、アルバート アインシュタインは一般相対性理論の正しいバージョンを発表しました。この理論の証拠は過去 1 世紀にわたって蓄積されてきました。日食から飛行原子時計まで、科学者たちはアインシュタインの理論を反証するためにあらゆる手を尽くしました。成功しませんでした。
日食は珍しく幻想的な光景ですが、1919 年 5 月 29 日の日食はさらに興奮を高めました。特に英国の科学者アーサー・エディントンにとってはそうだ。彼は二つの巨人の間の科学論争を解決する計画を立てていた。アイザック ニュートンとアルバート アインシュタインが実際に議論していたわけではありません。結局のところ、彼らは何世紀も離れて暮らしていました。しかし、彼らの理論は、重力が光線をどれだけ強く偏向させるかについて異なる予測を立てました。
一般相対性理論は水星の軌道における奇妙な異常について適切な予測を立てていましたが、この理論は広く受け入れられているわけではありませんでした。この点に関しては、多くの科学者が依然として 17 世紀のニュートンの法則を遵守しています。
エディントンは完璧な実験を念頭に置いていました。彼は、太陽系の中で最も重い天体である太陽が、背景の星からの光をどのように曲げるかをテストしたいと考えていました。太陽のすぐ隣にある星は、重力によって少しずつ移動します。また、アインシュタインの理論はニュートンの理論の 2 倍の大きさの変化を予測したため、正確な測定が決定的な要素となります。
日食は絶好の機会でした。通常、太陽の明るさによってそのような測定は不可能です。しかし、月が太陽の前に移動した瞬間、その問題は解消されます。そしてそれは 1919 年 5 月 29 日に起ころうとしていました。
エディントンは実験で、ヒアデス星団の明るい星団からの星の光に対する太陽の重力の影響を観察したいと考えました。一般相対性理論は、約 1.75 秒角 (これは約 40 メートル離れた髪の毛の太さ) のごくわずかな変化を予測しました。しかし、ニュートンの法則は、さらに小さな影響を予測していました。
2 つの科学チームが日食を見るために出発しました。一方のチームはブラジルのソブラルに行き、もう一方のチームは西アフリカ沖のプリンシペ島に行きました。最終的に、遠征隊は 1.6 秒角とほぼ 2 秒角の移動を記録しました。エディントンはその年の 11 月 6 日にその結果を発表し、多くの科学者にアインシュタインが正しかったことが証明されました。このニュースは世界中の新聞の一面を飾りました。一般相対性理論によってアインシュタインは有名人になりました。
水星の狂った軌道
1919 年の日食は一般相対性理論の最初の実際のテストと考えられていますが、アインシュタインがそれを使って解決できる古い問題がすでに存在していました。 1859 年、フランスの数学者ユルバン ル ベリエは、水星が古典力学の法則に従ってやるべきこと、つまりきちんとした楕円で太陽の周りを周回していることをしていないと述べた本を出版しました。
ル・ベリエ氏は、過去 150 年間、水星の太陽面通過の時刻 (水星が太陽の前を通過するとき) を研究しており、その遷移が予想よりわずかに早く始まったことに気づきました。この異常の一部は他の惑星からの重力摂動によって説明できるかもしれませんが、最終的に完全な解決策を見つけたのは一般相対性理論でした。アインシュタインは、太陽に近い湾曲した空間のため、「古典的な」惑星軌道にずれが生じると述べました。これにより、彼は自分の出版物が 1 世紀あたり 100 分の 1 度ずれていることを説明できるようになりました。
巨大な計算機
しかし、アインシュタインは一体何を思いついたのでしょうか?それを説明するには、物理学の小さな教訓を避けることはできません。現在ちょうど 100 年前の一般相対性理論は、実際にはアインシュタインの 10 年前の特殊相対性理論に基づいています。その中で彼は、観察者がどれだけ速く移動するかは実際には問題ではなく、自然法則は常に同じであると述べました。
ほぼ光の速度で移動する列車に乗っていると、実質的に何も変わりません。時計は（観察者にとって）同じ速さで時を刻み、目盛りも同じことを示します。それは論理的であるように思えますが、さらに奇妙なのは、それ自体がほぼ光速である乗り物であっても、揺るぎない光速は依然として光速であるということです。したがって、この理論は、異なる速度の観測者にとって時間の経過が速くなったり遅くなったりするという、時間に関して奇妙な意味を持ちます。
アインシュタインのエレガントな特殊相対性理論により、多くのことが突然うまくいくように見えましたが、 問題が加速しました。 観察者たち。 「彼らは実際、特殊相対性理論を完全に台無しにしてしまいました」とラドボウド大学ナイメーヘン天体物理学科の天文学者ギス・ネレマンスは言う。しかし、アインシュタインは解決策を見つけました。彼は、加速度と重力が非常に似ていることに気づきました。実際、それらは区別できません。たとえば、閉じたエレベーター内で重力を感じるのか、それとも加速度を感じるのかを判断することはできません。
アインシュタインは、これは重力に広範囲にわたる影響を与えると主張しました。重力は、たとえば電磁力のような古典的な力ではありません。それどころか、それは空間の歪みの結果です。通常直線的に移動する物体は、空間の曲率に従うだけで曲がります。太陽の周りを円運動する地球は、アインシュタインの考えでは、太陽によって湾曲した空間内に直線を描く惑星である。 「このアプローチにより、加速観測者も相対性理論に適合することが保証されました」とネレマンス氏は言います。 「これを紙の上で数学的に正しく理解するには、非常に長い時間がかかりました。それは膨大な計算でした。」
アインシュタインの波
ネレマンス自身は、おそらく一般相対性理論を再び試すことになる研究に携わっています。彼と同僚は重力波を探している。アインシュタインの理論は、2 つの非常にコンパクトで重い物体 (中性子星やブラック ホールなど) が互いの軌道を周回すると、空間が歪むだけでなく、いわゆる重力波と呼ばれる波も発生すると予測しています。
このような重力波が (光の速さで) 地球を通過すると、理論によれば、これは物体間の距離を一瞬変化させますが、これらはごくわずかな影響であり、1 メートルは 10 -20 になるだけです。 メートルが長いか短いか。しかし、そのような変化をどのように測定できるのでしょうか? 「問題の 1 つは、そのような波が、空間の変化を測定するための『物理定規』を含むすべての物質に影響を与えることです」と Nelemans 氏は言います。 「実際には何も測定していないのですね！」
これは空間によって変化しない定規、光の定規を使うことで解決できます。それも実はアインシュタインの「発明」なのです。 「彼の特殊相対性理論は、光の速度は常に同じであると述べています」とネレマンスは言います。 「重力波が通過した瞬間、しばらく光の周波数だけが変化します。」
LIGO (レーザー干渉計重力波観測所など) などの重力波検出器 そのような変化を求めています）。 ）米国では乙女座、イタリアでは乙女座。検出器は、長さ 2 キロメートルの垂直アームで構成されており、強力なレーザーが正確に中央で互いを消滅させます。これらのレーザー サンプルの 1 つの周波数がほんの一部でも変化すると、光線が互いに接触する時点で、光線が一瞬の間互いに消えなくなることに気づくことができます。
両天文台はすでに長年にわたって測定活動を行っているが、重力波は一つも検出されていない。しかし、関与した科学者たちはそこで止まるつもりはありません。 「今年は、改良型の LIGO がすでに測定を開始しており、1 年後には Virgo のアップグレードも準備が整います」と Nelemans 氏は言います。 「2019年、彼らは最大限の感度を持っています。その後、実際に何かの測定を開始する必要があります。これ以上高感度の検出器が必要になる可能性は低いからです。」
旅行に行くときに持っていくのは原子時計です
おそらく、アインシュタインの研究に含まれる最も奇妙な意味は、時間の引き延ばしです。それは本当なのか、ジョセフ・ハーフェレとリチャード・キーティングは40年以上前に疑問に思ったに違いない。彼らは 1971 年に相対性理論の最も実用的な実験を共同で行いました。当時、相対性理論は長い間科学者の間で広く受け入れられていました。
特殊相対性理論と一般相対性理論は両方とも、いわゆる時間の遅れを予測します。最初の理論は、宇宙を猛スピードで旅している人の時間は遅くなるというものです。
その人が何かに気づいているわけではありません。宇宙船に乗っているすべてのものとすべての人は、時間の延長の影響を受けます。船上の時計の針は遅くなり、コンピューターの速度も遅くなり、自然のプロセスは時間の遅れから逃れることができないため、観察者の知覚も遅くなります。一般相対性理論によれば、人が強い重力場にいるときもまったく同じことが起こります。
ハーフェレとキーティングは両方の理論を実験で検証したいと考えました。彼らは、飛行機で地球を 2 周する旅行に 4 つの非常に正確な原子時計を持ち込むことになります。航空機の速度と高度でわずかに小さい地球の重力を経験するという事実により、すでに測定可能な時間の遅れが生じているはずです。もちろん、科学者たちは検証のために原子時計もワシントンの研究室に残しました。午後7時30分10月4日、原子時計の最初の積荷が地球の自転に合わせて東へ出発した。二度の世界旅行には65時間強かかりました。わずか 1 週間後の 10 月 13 日、同じ鐘が西部に発送されました。地球を2周する80時間以上の旅。
彼らはワシントンに戻ったとき、原子時計を地上に残された時計と比較しました。そして何が判明したのでしょうか？東に移動した時計は平均して 59 ナノ秒遅れていました。西に進んだ時計は 273 ナノ秒進んでいました。それはわずか10億分の1秒でしたが、その効果は紛れもなく、しかも理論どおりでした。世界で最も正確な時計は、それほど早く時を刻んでいませんでした。これはアインシュタインにとって後押しとなりました。
大規模な相対性理論
これらの実験はアインシュタインの理論に重要な証拠を提供しましたが、相対論的効果が地球上の私たちの生活にほとんど影響を与えていないことも示しています。しかし、宇宙規模や極端な物体に目を向けると、状況は変わります。たとえば、光が太陽によって曲げられるのではなく、何千億もの星がある銀河全体によって曲げられる場合です。それは特別な効果、アインシュタインリングを生み出すことができます。
地球から見たときと同じように 2 つの銀河が正確に並んでいる場合、先頭の天体は最も遠い銀河からの光を曲げて、先頭の天体の周りにリングのように見えることがあります。アインシュタインは 1936 年の出版物の中で次のように書いています。「もちろん、この現象を直接観察できるという希望はありません。」彼はこの効果を星についてのみ考慮していたため、彼は間違っていたことが証明されました。しかし現在では、銀河（の集団）によって引き起こされる、十数個の（部分的な）アインシュタイン環が知られています。
一般相対性理論は、遠方の銀河の「色」にも顕著に表れます。光が強い重力環境から低い重力場に移動すると、光の波長は増加します。光はいわば赤の方にわずかにシフトするため、重力赤方偏移と呼ばれます。したがって、銀河団の重い中心からの光は、そのような銀河団の端からの光よりもいくらか「赤く」見えます。
相対性理論のない価値のない GPS
相対性理論は実際にはほとんど役に立たないと思うかもしれません。結局のところ、相対性理論は非常に高速で重い物体を予測します。
しかし、相対性理論を考慮せずに機能しないシステムが 1 つあります。それは、米国の全地球測位システムなどの衛星ナビゲーションです。 (GPS)。
このナビゲーション システムは、高度約 20,000 km で時速約 14,000 km で地球の周りを周回する衛星に搭載された原子時計を使用します。この速度と、その高度では地球の重力がほぼ半分になるという事実は、衛星に搭載された時計が地球の時計より 1 日あたり約 38 マイクロ秒速いことを意味します。エンジニアがこれを考慮していなかった場合、システムは 1 日あたり約 10 キロメートルの測位誤差を蓄積することになります。
一般相対性理論は過去 100 年にわたって数多くのテストに合格し、アインシュタインも何度も見事に合格しました。しかし、LIGO や VIRGO などの検出器は再び理論を調査しています。 Nelemans 氏は、これまでテストされたことのない領域で理論をテストすると述べています。
「基本的に、これまでのテストはすべて、光速の 1% 未満で移動する物体を使って行われました」と彼は言います。 「アインシュタインは、物体が光の速度に向かって移動すると、その影響がはるかに大きくなるため、興味深いものになると言っています。相対性理論の本当の性質は高エネルギーで現れ、高速で移動する中性子星やブラック ホールなどの極端な物体で測定できるはずです。おそらくこれらの測定値は、理論が崩れ始めている領域についてのヒントを与えてくれるでしょう。」