黒夜行

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「重力波」の発見にテンションが上がったので文章を書いてみた

「重力波が発見された」というニュースを、朝のニュース番組でチラッと見ました。
メチャクチャ驚きました。
重力波の検出している研究者がいる、ということは知っていましたが、それは「ほとんど不可能なことをやっている研究者」というような扱われ方だった記憶があります。恐らく重力波が発見される以前から、物理学者たちは、重力波は存在するはずだ、と考えていたと思いますが、しかし同時に、検出するのはほとんど不可能なのではないか、と考えている研究者が大半だったのではないかという気もします。
重力波というものに、そういう印象を持っていたので、僕はこの「重力波が発見された」というニュースにとても驚きました。

以下で僕は、「重力波の発見が何故重要なのか」ということについて、僕なりの理解を書いてみようと思います。ただ、僕は今この文章を書いている時点で、「重力波が発見された」という朝の3分ぐらいのニュースしか見ていません。さらに、一応理系だったし、物理は個人的に好きで色々本を読んできましたけど、専門家でもなければ、そもそも大学も中退しているようなレベルなので、恐らく間違いだらけだと思います。

なので、僕がここで書く文章を鵜呑みにしないでください。
そして、詳しい方がもしこの文章を読んでくれた場合、間違いを指摘してくれると助かります(ただ、指摘するのもアホらしくなるぐらい間違いだらけだったら、そっと無視しておいてください)。



<ニュートンは凄い人だったけど、間違っていた>
ニュートンという、凄い物理学者がいました。「重力波」の話をするには、ニュートンまで遡るのが良いだろうと思います。

ニュートンは、有名なあのリンゴのエピソードから(まあ、捏造だと言われていますが)、重力に関する理論をひらめきました。彼の重力理論は、それはもう素晴らしいものでした。日常生活の中で起こる様々な物理的な現象を、見事に説明してくれるものだったのです。

だから、物理学者は、ニュートンの重力理論を、その後300年間信じ続けました。疑う理由がありません。だって、ニュートンの理論を使えば、なんでも説明出来てしまうのですから。

しかし、そんな状況をひっくり返した人物がいました。それが、あのアインシュタインです。実はアインシュタインは、ニュートンの誤りを指摘したのでした。

<アインシュタインは凄い人だった>
ニュートンも凄い人でしたけど、アインシュタインも凄い人でした。何よりも、それまで300年間信じられていたニュートンの重力理論をひっくり返したのですが、それだけではなく、それはもう山程のエピソードを持つ人物です。史上これほど様々な逸話を持つ物理学者はいないのではないでしょうか。

ニュートンのリンゴと同じく、アインシュタインにも理論を思いつくきっかけとなったエピソードがあります。それは、

「もし鏡に自分の顔を写したまま光速で飛行したら、鏡には何が映るだろうか?」

僕の記憶では、これをアインシュタインは子供の頃に発想したのだったはずですが、記憶違いかもしれません。

<アインシュタインの重力理論(相対性理論)とニュートンの重力理論の関係>
ニュートンの重力理論は“間違っていた”わけですが、“間違っていた”という表現は正確ではないかもしれません。何しろ、アインシュタインの理論だって、これからひっくり返される可能性だってあるわけですから。だから、“正しくなかった”と表現するのが正しいでしょうか。

ニュートンの理論は、僕らの日常生活レベルでは完璧に使えます。今でも、日常レベルの現象の計算には、ニュートンの重力理論が使われているはずです。しかしニュートンの重力理論は、宇宙やあるいは量子など、日常とはかけ離れた現象が起こる環境では役に立ちません。

ニュートンの重力理論は、アインシュタインの重力理論(相対性理論)の近似値みたいなものだと思えばいいでしょう。円周率は3.1415926535…ですが、日常生活レベルでは3.14で計算しても問題ないでしょう。ニュートンの重力理論は、その3.14のようなものだと思えばいいでしょう。

<アインシュタインとニュートンの理論はどこが違うのか?>
僕には、それぞれの理論を詳しく説明できるほどの知識はありませんが、この二つの理論には、ベースとなる大前提に大きな違いがあります。

ニュートンが自らの理論を組み立てるのに用いた大前提は、「絶対空間」と呼ばれるものです。これは、数学の勉強で使う座標軸のようなイメージで良いでしょう。地球を例にとってもいいです。地球上のすべての地点は、「緯度」と「経度」という二つの数字を指定すれば、どんな場所でも正確に指定できるでしょう。こういう空間を「絶対空間」と呼ぶ、と捉えればいいと思います。

ニュートンは、この「絶対空間」を大前提として理論を組み上げました。この背景には、「神が作ったこの世界は完璧だ」というような宗教的な背景があった、みたいな記述を読んだ記憶があります。

しかし、アインシュタインはこの「絶対空間」というものを否定しました。空間は絶対的なものではなく、相対的なものである、つまり、座標軸や緯度・経度などによって指定できるようなものではない、ということです。

アインシュタインは、「空間は歪む」と主張しました。この大前提をベースにして組み上げたのが相対性理論です。そして、この空間を歪ませるものこそ「重力」であり、そして空間を歪ませるその効果のことを、恐らく「重力波」と呼んでいるのではないかと思います。

<「空間が歪む」とはどういうことか>
よく使われる比喩を僕も採用してみることにします。

頭の中に、一枚の大きな布をイメージしてください。真四角なその布を、二人の人間でピンと張って持っている、という状態をイメージしてください。この布を「宇宙」と捉えてみましょう。

ただ布をピンと張っただけのものであれば、何の変化もありません。しかしこの布の上に、例えばサッカーボールを置いてみてください。このサッカーボールこそが地球や太陽などの「天体」のイメージです。どれだけピンと張っていても、サッカーボールを乗せれば布は下に少したわみます。このたわみが、空間の歪みです。

実際の宇宙空間でも、これと同じことが起こっているそうです。三次元だとイメージしにくいですが、空間の中に重量を持った天体が存在することで、その天体による重力によって空間が歪むのです。

実際の宇宙空間は、その布の上に様々な重さのボールが存在し、しかも絶えずそのボールが動き続けている、という状況です。布は、一瞬前とはまるで違った形をしていることでしょう。僕らの肉眼では確認出来ませんが、空間は絶えずその形を変え続けている。アインシュタインは、僕らが生きているこの「空間」というものを、そういう存在として捉えたのです。

この布のイメージを敷衍して考えると、ニュートン、空間を鋼鉄の板みたいなものと捉えている、と考えるといいと思います。ボールをいくら載せても歪まず、同じ状態を保っている、ということです。

<相対性理論はその正しさはどのように証明されたのか>
相対性理論は、僕らの日常生活レベルの物理現象には関係のない理論と言っていいです。では、そんな理論が正しいと証明されたのは、一体どんな経緯からでしょうか?文字だけで詳しく説明することは難しいのですが、少しチャレンジしてみます(自信はないので読み飛ばしてくれても大丈夫です)。

ピンと張った布の上に、もの凄く大きなボール(大玉転がしの大玉ぐらいをイメージしましょう)を載せるとします。布は大きくたわみます。その布の端にテニスボールを置いてみたらどうなるでしょうか?テニスボールは、下方に歪んだ空間に沿って、まるで大玉に吸い寄せられるようにして近づいていくでしょう。そして大玉に接したら、後は大玉に沿って動くでしょう。

さて、光は空間に沿って進みます。「光は直進する」と習いますが、それは「光が通ったルートを直線と定義する」という意味に近いです。例えば光は、先ほどのテニスボールと同じようなルートを通って、大玉の近くを通ります。

さてここで、ある天体Xのことを考えてみます。その天体Xは、地球と太陽を直線で結んだその先にあります。つまり、いつもは見えません。
では、日食の時はどうなるでしょうか?日食は、地球と太陽の間に月があり、その月が太陽を隠すことで起こります。その時、太陽からの光は遮られるので、普段は太陽の光で隠れている天体も見えることになります。しかしそれでも、天体Xは普通に考えれば見えません。何故なら、その天体Xは太陽の後ろにあるわけで、いくら日食で太陽が隠されていても地球から見えるはずがないのです。

しかし、太陽の莫大な重力によって、太陽の周辺の空間は歪んでいます。先ほどの大玉を太陽と考えてみてください。ならば、天体Xから出た光が太陽に近づいた時、太陽の重力で歪んだ空間に沿って、その光は太陽を回りこんで地球に届くのではないか?

アインシュタインはこう考え、自らの理論を実証出来る予測をしました。日食の日、太陽の陰にあるために見えるはずのない天体Xの光が見えるはずだ、と予測したのです。そして実際に観測隊がこの現象を観測し、アインシュタインの理論はその正しさが証明されたのです。この現象は、「重力レンズ効果」と呼ばれています。

<相対性理論の正しさは証明されたけど…>
重力レンズ効果の観測によって、相対性理論は正しい理論であることが証明されました。
しかし、それは“間接的に”証明されたにすぎない、とも言えるでしょう。実際に「空間の歪み」それ自体を観測したわけではないのです。だからこそ、「空間の歪み」を直接的に観測しよう、という機運が生まれたのでしょう。とはいえ僕には知識がないので、「重力波」の検出にどういう困難さがあるのか、「重力波」の発見が何に利用できるのか、よく分かりません。





…とここまで書いてから「重力波」についてちょっと調べてみましたが、「重力波」というのは、宇宙を構成する物質の振動だそうで、僕が書いてる「空間の歪みを直接観測する」って話とは全然違うかも、と思ったりしました。うーん、どうなんだろう。

とはいえ、「重力波」の発見は、恐らくノーベル賞クラスでしょうし、「重力波」の発見によってまた物理学上で様々な変革が起こることでしょう。ヒッグス粒子の発見と同じく、また様々な話題を提供してくれるでしょう。
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