物理理科統計力学・相対性理論

簡単でわかりやすい!「相対性理論」とは?特殊相対性理論・一般相対性理論を元理系大学教員が詳しく解説!

重力の正体を解き明かした、一般相対性理論

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一般相対性理論は、特殊相対性理論から10年後に、同じくアインシュタインによって発表されました。

なぜ「一般」という名称が付いているのかというと、特殊相対性理論では重力のない一定の速度で動く慣性系についてのみ考えていたのに対して、一般相対性理論ではこの慣性系を、加速度運動や重力を含んだより一般的な状況について拡張したためです。これにより、一般相対性理論は重力の姿を明らかにしていきます。

重力の正体

ニュートン力学での重力は、質量を持った二つの物体の間で働く、目に見えない力と表現されています。

ところが、一般相対性理論によると、重力は質量を持った物体が周りの時空間を歪めることで生じるものなのです。

ここに一枚の風呂敷があると想像してみましょう。この風呂敷は時空間を表しており、その上にビー玉を一つ乗せると、ビー玉を中心に風呂敷にくぼみが出来ます。そこに一回り小さい別のビー玉を置くと、何が起きるでしょうか。当然、周囲の歪みに吸い込まれるようにして大きなビー玉の方へ転がっていきます。これはまさしくニュートン力学でいうところの万有引力の法則であり、くぼみの周りに出来た歪みが重力の姿だとわかるのです。

実際にこの時空間の歪みは、遠くにある星の光が曲がって地球に届くという重力レンズ効果という形で観測され、実証されています。

一般相対性理論から生み出された宇宙の姿

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重力が時空間の歪みだと分かると、一般相対性理論はニュートン力学では想像もしていなかった宇宙の姿を次々に描き出していきました。中でも次に挙げる三つの現象は一般相対性理論なしには語れないものです。

膨張宇宙
ブラックホール
重力波

膨張する宇宙

ニュートン力学での宇宙は、絶対的な時空間として存在していました。しかし、一般相対性理論が登場すると、宇宙は膨張しながら今もなお広がり続けるもの、と考えられるようになります。

1929年、アメリカの天文学者であるエドウィン・ハッブルは、自身の観測していた銀河が地球から遠ざかる方向に運動していることを発見しました。さらに地球から遠い銀河ほどその速度が速いことも見つけ、宇宙が実際に膨張していることを実証したのです。

また膨張して広がり続けていることから、宇宙は一つの点から始まったというビッグバン理論も誕生しました。

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