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「私は疲れた。しかし、成功は素晴らしい。」

相対性理論：特別理論と一般理論

一般相対性理論の100周年に出版されたこのアインシュタインの有名な本のハンサムな版は、史上最高の科学的精神の1つへのかけがえのない洞察を提供しながら、歴史的および知的文脈に作品を置きます。

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アインシュタインはそれを持たないだろう。重力のより洗練された記述は確実に存在しなければならず、重力の影響が光を追い越さないものでなければなりません。アインシュタインはそれを見つけることに専念しました。そして、そうするために、彼は一見基本的な質問に答える必要があると気づきました：重力はどのように働くのですか？太陽はどのようにして9, 300万マイルにわたって届き、地球に重力を作用させますか？ドアを開けてワインボトルの栓を外すという日常的な経験のより身近な引きについては、メカニズムが明白です。手と引きを経験している物体との間に直接接触があります。しかし、太陽が地球を引っ張ると、その引っ張りは空間、つまり空の空間を横切って発揮されます。直接連絡はありません。それでは、重力の入札を実行している目に見えない手は何ですか？

ニュートン自身がこの疑問を深く不可解であり、重力がその影響をどのように発揮するかを特定できなかったため、彼の理論は確かに不完全であると自発的に述べました。しかし、200年以上にわたり、ニュートンの入場は、観察の点で合意した理論の見落とされた脚注に過ぎませんでした。

1907年、アインシュタインはこの質問に答えることに真剣に取り組み始めました。 1912年までに、それは彼のフルタイムの執着になりました。そして、そのほんの数年のうちに、アインシュタインは、把握するのが難しいほど簡単に述べることができる重要な概念的ブレークスルーにぶつかりました：太陽と地球の間に空の空間しかなければ、それらの相互引力は宇宙によって発揮されなければなりません自体。しかし、どのように？

アインシュタインの答えは、美しく神秘的であると同時に、太陽や地球などの物質が周囲の空間を湾曲させ、その結果生じる空間のゆがんだ形状が、通過する他の物体の動きに影響を与えるというものです。

ここでそれを考える方法があります。まっすぐな軌道に続いて、平らな木製の床に転がった大理石が描かれています。次に、洪水によって歪んでねじれた木製の床に大理石を転がすことを想像してください。大理石は、床の湾曲した輪郭によってこのように微調整されるため、同じ直線軌道をたどることはありません。床と同じように、スペースもそうです。アインシュタインは、空間の湾曲した輪郭が、打たれた野球をその馴染みのある放物線の経路に沿って動かし、地球を通常の楕円軌道に固執させるように思い描いた。

それは息をのむような飛躍でした。それまでは、空間は抽象的な概念であり、一種の宇宙の容器であり、変化をもたらす有形の実体ではありませんでした。実際、飛躍はさらに大きかった。アインシュタインは、時間がゆがむこともあることに気づきました。直感的に、私たちは皆、時計がどこにあるかに関係なく、同じ速度で動くことを想定しています。しかし、アインシュタインは、時計が地球のように質量の大きい物体に近いほど、刻々と遅くなり、時間の経過に対する重力の驚くべき影響を反映していると提案しました。また、空間ワープがオブジェクトの軌道を微調整できるのと同様に、一時的なワープも同様です：アインシュタインの数学は、オブジェクトが時間の経過がより遅い場所に向かって描かれることを示唆しました。

それでも、アインシュタインの空間と時間の形での重力の根本的な作り直しは、彼が勝利を主張するのに十分ではありませんでした。彼は、アイデアを、空間、時間、および物質によって踊られる振り付けを正確に記述する予測的な数学的枠組みに発展させる必要がありました。アルバート・アインシュタインにとってさえ、それは記念碑的な挑戦であることが証明されました。 1912年、方程式の作成に苦労して、彼は同僚に「私の人生でこれほど苦痛を感じたことは一度もない」と書いた。しかし、わずか1年後、チューリッヒでより数学的に調整された同僚のマルセル・グロスマンと仕事をしている間に、アインシュタインは非常に興味深く答えに近づきました。アインシュタインは、曲線形状を記述するための幾何学的言語を提供した1800年代半ばの結果を活用し、空間と時間の幾何学的な観点から、まったく新しいが完全に厳密な重力の再定式化を作成しました。

しかし、それはすべて崩壊したように見えた。彼の新しい方程式を調査している間、アインシュタインは運命的な技術的エラーを犯し、彼の提案があらゆる種類のありふれた動きを正しく記述できなかったと考えさせました。アインシュタインは、長くてイライラする2年間、問題にパッチを当てようとしましたが、何も機能しませんでした。

アインシュタインは、彼らが来るのに粘り強く、動揺しないままであり、1915年の秋に彼はついに前進する道を見ました。それまでに彼はベルリンの教授であり、プロイセン科学アカデミーに入学していました。それでも、彼には手がありました。彼の疎遠な妻、ミレーバ・マリックは、アインシュタインとの彼女の人生が終わったことを最終的に受け入れ、二人の息子と一緒にチューリッヒに戻りました。アインシュタインにますます緊張した家族関係が重くなりましたが、アレンジによって、彼の不毛なベルリンのアパートの静かな孤独の中で、昼夜を問わず、数学的な問題を自由にたどることができました。

11月までに、この自由は実を結びました。アインシュタインは以前の誤りを訂正し、一般相対性理論に向けて最終的に登り始めました。しかし、彼は数学的な詳細に熱心に取り組んでいたため、状況は予想外に危険になりました。数ヶ月前、アインシュタインは有名なドイツの数学者デイヴィッド・ヒルベルトと出会い、彼の新しい重力理論についての彼の考えをすべて共有していました。どうやら、アインシュタインはがっかりして学んだ、会議はヒルベルトの興味を非常に興奮させたので、彼は今アインシュタインをフィニッシュラインにレースしていました。

2人が1915年11月を通じて交換した一連のはがきと手紙は、それぞれが一般相対性理論の方程式に近づいたときの心のこもった、しかし激しい競争を記録しています。ヒルベルトは、有望ではあるが未だ完成していない重力理論でのオープニングを追求することは公正なゲームであると考えました。アインシュタインは、ヒルベルトが山頂近くでソロの遠征に参加するのはひどく悪い形だと考えた。さらに、アインシュタインは心配して、ヒルベルトのより深い数学的埋蔵量が深刻な脅威であることを認識しました。彼の長年の努力にもかかわらず、アインシュタインはられるかもしれません。

心配は十分に根拠がありました。 11月13日土曜日、アインシュタインはヒルバートから招待状を受け取り、翌日火曜日にゲッティンゲンに参加して、「あなたの大きな問題の解決策」を「非常に詳細に」学びました。「当面はゲッティンゲンへの旅行を控える必要があります。むしろ、印刷された記事からシステムを研究できるようになるまで辛抱強く待たなければなりません。疲れているのに加えて、胃の痛みに悩まされているからです。」

しかし、その木曜日、アインシュタインが郵便を開いたとき、彼はヒルベルトの原稿に直面しました。アインシュタインはすぐに返事を書き、彼の刺激をほとんど隠しませんでした。「あなたが提供するシステムは、私が見る限り、ここ数週間で見つけてアカデミーに提示したものと正確に一致します。」アインシュタインは友人のハインリッヒ・ザンガーに打ち明けました、「私の個人的な経験では、この理論の機会のように、人間の種の悲惨さをこれ以上良く学んだことはありません。...」

1週間後の11月25日、プロイセンアカデミーで聴衆に向けて講義を行ったアインシュタインは、一般相対性理論を構成する最終方程式を発表しました。

その最後の週に何が起こったのか誰も知りません。アインシュタインは独力で最終方程式を思いついたのですか、それともヒルベルトの論文は法外な支援を提供しましたか？ヒルベルトのドラフトには方程式の正しい形式が含まれていましたか、それともヒルベルトはアインシュタインの研究に触発された方程式をヒルベルトが数か月後に発表した論文のバージョンに挿入しましたか？疑問を解決したかもしれないヒルベルトの論文のページ証明の重要な部分が文字通り切り取られたことを知ると、陰謀は深まります。

結局、ヒルベルトは正しいことをした。彼は、最終方程式の触媒作用における彼の役割が何であれ、相対性理論の一般理論はアインシュタインに正しく帰属されるべきであることを認めた。そして、そうです。一般相対性理論の方程式を表現する技術的であるが特に有用な方法には、両方の男性の名前が付けられているため、ヒルベルトも当然だ。

もちろん、一般相対性理論が観察を通して確認された場合にのみ、クレジットは価値があります。驚くべきことに、アインシュタインはそれがどのように行われるかを見ることができました。

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一般相対性理論は、遠方の星から放出された光のビームが、地球に向かう太陽近くのゆがんだ領域を通過する際に、曲がった軌道に沿って移動すると予測しました。アインシュタインは新しい方程式を使用してこれを正確にしました。これらの曲線軌道の数学的形状を計算しました。しかし、予測をテストするために、天文学者は太陽が前景にいる間に遠方の星を見る必要があり、それは日食の間に月が太陽の光を遮る場合にのみ可能です。

したがって、1919年5月29日の次の日食は、一般相対性理論の実験場になります。アーサー・エディントンir率いる英国の天文学者のチームは、ブラジルのソブラルとアフリカ西海岸沖のプリンシペで、日食を経験する2つの場所に店を構えました。天気の問題と闘いながら、各チームは、月が太陽を横切って漂流するにつれて、瞬間的に見える遠方の星の写真プレートのシリーズを撮りました。

画像の慎重な分析のその後の数ヶ月の間、アインシュタインは結果を辛抱強く待っていました。最後に、1919年9月22日に、アインシュタインは、日食の観測が彼の予測を確認したと発表した電報を受け取りました。

世界中の新聞が物語を取り上げ、アインシュタインの勝利を宣言し、彼を事実上一夜にして世界的な感覚に押し上げた息もつけないほどの見出しで。すべての興奮の中で、若い学生であるイルゼ・ローゼンタール・シュナイダーは、観察が一般相対性理論の予測と一致しない場合、アインシュタインに何を考えていたでしょうかと尋ねました。アインシュタインは、「理論が正しいので、親愛なる主にごめんなさい」と魅力的な勇敢さで有名に答えました。

確かに、日食の測定から数十年の間に、他の非常に多くの観測と実験が行われ、いくつかは進行中であり、一般相対性理論に対する確固たる信頼につながった。最も印象的なものの1つは、NASAで最も長く実行されているプロジェクトの中で、50年近くにわたる観測テストです。一般相対性理論は、地球のような物体がその軸上で回転するとき、糖蜜のバケツの中の回転する小石のように渦巻きの周りに空間を引きずる必要があると主張しています。 1960年代初頭、スタンフォードの物理学者は予測をテストするためのスキームを設定しました。4つの超精密ジャイロスコープを地球軌道に投入し、理論によると、ジャイロスコープの軸の方向の小さなシフトを探します。渦巻く空間によって。

宇宙で取得したジャイロスコープの不幸なぐらつきを克服するために、必要なジャイロスコープ技術を開発するために何世代もの科学的努力とその後何年ものデータ分析が必要でした。しかし、2011年、Gravity Probe Bの背後にあるチームは、プロジェクトが知られているように、半世紀にわたる実験が成功した結論に達したと発表しました。ジャイロスコープの軸は、アインシュタインの数学が予測した量だけ回転しました。

現在、20年以上もの間、1つの実験が残っており、その多くは一般相対性理論の最終テストを検討しています。理論によれば、星またはブラックホールの2つの衝突する物体は、空間のファブリックに波を作成します。そうでなければ、穏やかな湖で2つの衝突するボートが水の波を作成します。そして、そのような重力波が外側に波打つように、空間が膨張したり収縮したりします。これは、生地のボールが交互に伸縮するようになります。

1990年代初頭、MITとカリフォルニア工科大学の科学者が率いるチームは、重力波を検出するための研究プログラムを開始しました。挑戦であり、それは大きな挑戦です。もし激動の天体物理的遭遇が遠く離れて起こると、その結果生じる空間的なうねりが地球によって洗い流される時までに、それらは非常に広く広がり、恐らく空間を引き伸ばして圧縮するでしょう原子核のほんの一部。

それにもかかわらず、研究者たちは、地球が転がるときに空間の構造に波紋の小さな証拠となる兆候を見ることができるかもしれない技術を開発しました。 2001年に、LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）として総称される2つの長さ4キロメートルのL字型デバイスが、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに配備されました。戦略は、通過する重力波が各Lの2本の腕を交互に伸縮させ、各腕を上下にレースするレーザー光に痕跡を残すことです。

重力波の兆候が検出される前に、2010年にLIGOは廃止されました。この装置は、ほぼ確実に、重力波が地球に到達することによって引き起こされる小さなけいれんを記録するのに必要な感度を欠いていました。しかし現在、LIGOの高度なバージョン（10倍の感度が期待されるアップグレード）が実装されており、研究者は、数年以内に遠方の宇宙のdisturbance乱によって引き起こされる宇宙の波紋の検出が一般的になると予想しています。

誰もが一般相対性理論を本当に疑うからではなく、理論と観測の間の確認されたリンクが強力な新しいアプリケーションを生み出すことができるため、成功は刺激的です。たとえば、1919年の日食の測定は、重力が光の軌道を曲げることを確立したため、現在、遠方の惑星を見つけるために使用されている成功した技術に影響を与えています。そのような惑星がホスト星の前を通過すると、星の光にわずかに焦点を合わせ、天文学者が検出できる明るさと暗さのパターンを引き起こします。同様の手法により、天文学者はさらに遠方の光源から放出される光の軌跡をどれだけひどくゆがめるかを観察することにより、特定の銀河の質量を測定することができました。もう1つのより身近な例は、全地球測位システムです。これは、重力が時間の経過に影響するというアインシュタインの発見に依存しています。 GPSデバイスは、さまざまな軌道衛星から受信した信号の移動時間を測定することにより、その位置を特定します。衛星の時間経過に対する重力の影響を考慮しないと、GPSシステムは、車や誘導ミサイルなどのオブジェクトの位置を正しく判断できません。

物理学者は、重力波の検出には、非常に重要な独自のアプリケーション、すなわち観測天文学への新しいアプローチを生成する能力があると考えています。

ガリレオの時代以来、私たちは望遠鏡を空に向けて、遠くの物体から放射される光波を集めてきました。天文学の次の段階は、遠方の宇宙の隆起によって生成された重力波の収集に非常に集中し、まったく新しい方法で宇宙を探ることができます。ビッグバンの数十万年後まで、光の波が宇宙を満たしたプラズマに浸透できなかったので、これは特に刺激的です。しかし、重力の波はできました。ある日、私たちは宇宙の最も早い瞬間の最も鋭いプローブとして、光ではなく重力を使うかもしれません。

音の波が空気中を波打つように重力の波が空間をやや波打つため、科学者は重力信号を「聞く」ことについて話します。その比phorを採用すると、一般相対性理論の2世紀目が物理学者が最終的に創造の音を聞いたことを祝う原因になるかもしれないと想像するのはどれほど素晴らしいでしょう。

編集者注、2015年9月29日：この記事の以前のバージョンでは、GPSシステムの動作方法が不正確に説明されていました。 テキストはそれに応じて変更されました。