アインシュタインが正しかったと知っている7つの簡単な方法（今のところ）| 科学| スミソニアン - 記事、歴史、科学、宇宙

100年の間、アルバートアインシュタインの一般相対性理論は、物理学者が投げかけたほぼすべてのテストで生き残りました。 1915年11月に発表された有名な科学者のフィールド方程式は、オブジェクト間の単純な力ではなく、重力を空間と時間の構造のゆがみとして再想像することにより、Isaac Newtonの長年の法則を拡張しました。

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関係する質量が大きすぎず、速度が光速と比較して比較的小さい限り、一般相対性理論方程式を使用した結果は、実際にニュートンの数学を使用して得られるものと似ています。しかし、コンセプトは物理学の革命でした。

ゆがんだ時空は、ニュートンが予測したよりもはるかに強く光自体が重力の影響を受けることを意味します。また、惑星はわずかに変更されたが非常に重要な方法で軌道を動き回り、モンスターのブラックホールやワームホールなどのエキゾチックなオブジェクトの存在を予測します。

一般相対性理論は完全ではありません。アインシュタインの重力の規則は、準原子スケールで支配する量子力学の規則に適用すると破綻するようです。それは宇宙の私達の理解に多くの食欲をそそるギャップを残します。今日でも、科学者たちは、相対性理論が私たちをどこまで導くことができるかを見るために限界を押し進めています。それまでの間、相対性理論が実際に実行されていることを一貫して確認する方法のいくつかを次に示します。

水星の軌道

最初の水星を周回したメッセンジャー宇宙船は、その小さな惑星のこの偽色のビューをキャプチャして、その表面に化学的、鉱物学的、物理的な違いを示しました。（NASA / JHUAPL /カーネギー研究所）

19世紀に戻って、天文学者アーバインルベリエは水星の軌道に問題があることに気付きました。惑星軌道は円形ではなく、楕円です。つまり、惑星は太陽系内を移動するときに、太陽や太陽から互いに接近したり離れたりすることができます。惑星が互いに引っ張ると、それらの最接近点が予測可能な方法で移動します。これは歳差運動と呼ばれるプロセスです。

しかし、他のすべての惑星の影響を説明した後でも、水星は世紀ごとに少しだけ歳差運動をしているように見えました。当初、天文学者は、バルカンと呼ばれる別の見えない惑星が水星の軌道内にあると考え、その重力をミックスに加えました。

しかし、アインシュタインは一般相対性理論の方程式を使用して、謎の惑星が必要ないことを示しました。太陽に最も近い水星は、ニュートンの物理学では説明できなかった、私たちの巨大な星が時空の構造を曲げる方法によって、より影響を受けます。

曲げライト

1919年5月29日に見られた日食の画像。（「1919年5月29日の皆既日食で行われた観測からの太陽の重力場による光の偏向の決定」ロンドン王立協会の哲学的トランザクション、シリーズA）

一般的な相対性理論によると、布地の時空を通過する光はその布地の曲線に従う必要があります。つまり、巨大なオブジェクトの周りを移動する光は、その周りを曲がるはずです。アインシュタインが一般相対性理論の論文を発表したとき、予測された効果は小さいため、この歪みを観察する方法は明確ではありませんでした。

英国の天文学者アーサー・エディントンは、日食の最中に太陽の端近くの星を見るというアイデアを思いつきました。太陽のまぶしさは月に遮られているため、天文学者は、大規模な太陽の重力が光を曲げて、星の見かけの位置が変わったかどうかを見ることができました。科学者は、ブラジル東部とアフリカの2つの場所から観測を行いました。

案の定、エディントンのチームは1919年の日食の間に変位を見ました、そして新聞の見出しはアインシュタインが正しいことを世界にトランペットしました。近年、データの新しい調査により、現代の基準では実験に欠陥があることが示されました。写真プレートに問題があり、1919年に得られた精度は、実際の測定値のたわみを示すほど十分ではありませんでしたブラジルから。しかし、その後の実験では効果があることが示されており、最新の機器がないことを考えると、作業は十分に堅実でした。

今日、強力な望遠鏡を使用する天文学者は、遠方の銀河からの光が他の銀河によって曲げられて拡大されるのを見ることができます。これは、現在重力レンズ効果と呼ばれています。現在、この同じツールを使用して、銀河の質量を推定したり、暗黒物質を探したり、他の星の周りを回る惑星を探し出したりしています。

ブラックホール

NASAのチャンドラ宇宙望遠鏡は、1月に銀河の中心にある射手座A *と呼ばれるブラックホールを発見し、1月に非常に明るいX線バーストを放出しました。（NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al）

おそらく、一般相対性理論の最も壮観な予測は、ブラックホールの存在でしょう。ブラックホールは、光さえも重力を逃れることができないほど大きな物体です。しかし、その考えは新しいものではありませんでした。 1784年、ジョン・ミッチェルというイギリスの科学者が王立協会の会議でそれを発表し、1799年にフランスの数学者ピエール=シモン・ラプラスが同じ概念に到達し、より厳密な数学的証明を書きました。それでも、ブラックホールのようなものは誰も観察していません。さらに、1799年以降の実験では、光は粒子ではなく波である必要があることが示されたため、重力による影響はまったくありません。

アインシュタインを入力します。重力が実際に時空の曲率によるものである場合、光に影響を与える可能性があります。 1916年、カールシュワルツシルトはアインシュタインの方程式を使用して、ブラックホールが存在するだけでなく、結果のオブジェクトがラプラスのオブジェクトとほぼ同じであることを示しました。シュワルツシルトはまた、イベントホライズンの概念を導入しました。イベントホライズンとは、物質的な物体から逃げることのできない表面です。

シュワルツシルトの数学は健全でしたが、天文学者が候補を観察するには数十年かかりました。X線の強力な源であるシグナスX-1は、1970年代にブラックホールとして広く受け入れられた最初の天体となりました。現在、天文学者は、すべての銀河がその核にブラックホールを持っていると考えています。天文学者は、天の川銀河の中心にある別の明るいX線源である射手座A *の周りの星の軌道を注意深く追跡し、システムが非常に大きなブラックホールのように振る舞うことを発見しました。

「シグナスX-1や射手座A *のようなシステムでは、コンパクトオブジェクトの質量と半径を測定できます。また、同じ観測特性を持つ他の天体物理学オブジェクトを見つけることはできません」とPaul M氏は言います。。サッター、天体物理学者、オハイオ州立大学の客員研究員。

月を撃つ

アポロ15号によって月に残された月面レーザー測距実験の一部（NASA）

アインシュタインは、相対性理論の一般理論を作成する際に、重力の効果と加速の効果は両方とも時空の曲率によって引き起こされ、重い物体の上に立っている人が経験する重力はその効果に似ていることを理解しましたたとえば、ロケットに乗って加速している人が経験します。

つまり、研究室で測定された物理法則は、研究室がどれだけ速く動いていても、時空のどこにいても常に同じように見えます。また、オブジェクトを重力場に置くと、その動きはその初期位置と速度のみに依存します。この2番目のステートメントは重要です。なぜなら、地球と月での太陽の重力の牽引力は非常に安定している必要があることを意味します。そうでなければ、惑星と月が異なる速度で太陽に「落ちた」場合にどのようなトラブルが起こるかを知っているからです。

1960年代には、アポロミッションとソビエトの月探査機が月に反射鏡を設置し、地球の科学者がレーザー光線を発射して、地球と月の間の距離とそれらの相対運動の測定を含む多くの科学実験を行ってきました太陽の周り。この月の距離測定から得られた教訓の1つは、一般相対性理論が予測するように、地球と月が実際に同じ速度で太陽に向かって落ちているということでした。

スペースをドラッグ

Gravity Probe B衛星の合成図。（キャサリン・スティーブンソン、スタンフォード大学、ロッキード・マーティン・コーポレーション）

一般相対性理論の大部分の説明では、人々は地球を、時空として知られる布地の上に吊るされたボウリングのボールとして想像しています。ボールは、生地をくぼみに変形させます。しかし、地球が回転するので、一般相対性理論は、ボールが回転するとき、うつ病がねじれて歪むべきであると言います。

2004年に打ち上げられた重力プローブBと呼ばれる宇宙船は、地球の周りの時空の曲率を測定するのに1年を費やしました。それは、フレームの引きずり、または地球が回転しながら宇宙ファブリックを引きずることのいくつかの証拠を見つけ、アインシュタインの重力の図を検証するのを助けました。

時空の波紋

互いに回転する2つの巨大なパルサーは、地球上で検出できるはずの重力波を生成するのに十分な時空構造の乱れを作成します。（NASA）

時空を移動するオブジェクトの別の結果は、船の航跡に似て、布地に波紋と波を作成することです。これらの重力波は、理論的に観測可能な方法で時空を伸ばすでしょう。たとえば、いくつかの実験では、2つのミラーセット間でレーザービームを照射し、ビームがミラー間でバウンスするのにかかる時間を測定します。時空の波紋が地球を通過する場合、そのような検出器は、ビームのわずかな延長と収縮を見るはずです。これは干渉パターンとして現れます。

これまでのところ、重力波はまだ見られていない一般相対性理論の最後の主要な予測の1つですが、米国の施設で検出の噂がありますが、いくつかの間接的な証拠があります。パルサーは、太陽の何倍もの質量をマンハッタンの大きさの空間に詰め込む死んだ星です。互いに周回している2つのパルサーの観測は、重力波が本物であるというヒントを提供します。

「最初の連星パルサーの軌道周期は、時間とともに年に約0.0001秒減衰することが観察されています」とインディアナ大学の物理学者アラン・コステレツキーは言います。「減衰率は、一般相対性理論によって予測される重力放射によるエネルギー損失と一致します。」

GPS

アーティストのレンダリングは、軌道上のGPS-IIRM衛星を示しています。（宇宙ベースのポジショニング、ナビゲーション、タイミングに関する米国国家実行委員会）

全地球測位システムは、相対性理論の正確なテストではありませんが、絶対にそれに依存しています。 GPSは、世界中の電話やレンタカーに信号をpingする周回衛星のネットワークを使用します。位置を取得するために、これらの衛星は、いつどこにいるのかを知る必要があるため、時間測定を10億分の1秒の精度に保ちます。

しかし、衛星は私たちの頭上12, 550マイルを回っています。そこでは、地上の人々よりも惑星の重力に弱いと感じています。アインシュタインの特殊相対性理論の理論に基づき、異なる速度で移動する観測者では時間が経つとは異なると言われていますが、衛星時計は、地球に縛られた旅行者の時計よりも少し遅くなります。

ただし、一般的な相対性理論はこの効果を相殺するのに役立ちます。なぜなら、地球の表面に近い重力は、衛星の頭上での速度に比べて時計の刻みを遅くするからです。この相対論的コンボがなければ、GPSクロックは1日あたり約38マイクロ秒オフになります。それは小さなエラーのように聞こえるかもしれませんが、GPSは非常に高い精度を必要とするので、不一致により数時間でマップされた位置が著しく間違ってしまいます。