重力がなければ、私たちは存在しません。それは、私たちを地球の表面に留め、地球を太陽の周りの軌道に保つ力を提供します.
そもそも太陽系の形成に関与しており、太陽内のすべての物質の引力が、それらをしっかりと引き寄せて、核融合を可能にしています。私たちに熱と光を与えてくれます。
どこにでもあるにもかかわらず、重力は宇宙で最も神秘的な力の 1 つです。
重力とは?
自然界の 4 つの基本的な力の 1 つとして、電磁気力、核の力の強弱とともに、重力は非常に影響力のある自然現象です。
それは物質の性質です。一言で言えば、すべての物質は他のすべての物質に引き寄せられます。物質が多ければ多いほど、また物体同士の距離が近ければ近いほど、その引力は大きくなります。
また、電気や磁気とは異なり、反発したり引き付けたりしますが、重力は常に 物事をまとめます。
重力について詳しく読む:
- 量子重力の探求:間違っていることが科学にとって不可欠な理由
- 重力に問題があります
ニュートンの重力理論とは?
ニュートンが重力の仕組みについて仮説を持っていなかったと述べたことは有名です。
代わりに、実際にそれを説明するための彼の出発点は、重力は普遍的であるという考えでした.リンゴが木から落ちるのと同じものが月を軌道に乗せている.
この概念、天文データの収集、およびいくつかの巧妙な思考実験により、ニュートンは、2 つのオブジェクト間の引力に影響を与えるのは、各オブジェクトの質量とそれらの間の距離。
彼はそれをこの形で書き上げたことはありませんが、彼の理論は、引力が逆二乗の法則に従うことを示しています。重力は、2 つのオブジェクトの質量を掛け合わせ、それらの間の距離の 2 乗で割ることによって計算できます。そのため、重力の引力は、オブジェクトの質量が増加するか、オブジェクト同士が近づくにつれて増加します。
この単純な関係は、月と惑星の動きのほぼすべてを説明するのに十分であり、NASA が月へのアポロ計画の安全な軌道を計算するのに必要なすべてでした.
等価原理とは?
等価原理は、アルバート アインシュタインが「最も幸せな考え」と表現したものに基づいています。
これは、「人が自由に落下すると、自重を感じなくなる」ということでした。言い換えれば、加速度と重力はまったく同等であり、区別できません。
国際宇宙ステーションでこれが起こっているのを見ています。地球から宇宙ステーションまでの軌道距離における重力の引力は、地表の引力の約 90% ですが、宇宙飛行士は浮いています。
人々が上空を漂う理由は、彼らが常に私たちの地球に向かって落下しているからです。星。地球の表面に衝突することを期待するかもしれませんが、軌道上にいるということは、逃し続けるのにちょうどいい速度で横方向に動いていることでもあります。
等価原理は、人が転んだときのように加速すると体重が相殺されることを示しています。アインシュタインは、加速と重力が事実上同じものであることを示唆するために、彼の幸せな考えから飛躍しました.
そして、これが彼の一般相対性理論に影響を与えました。この理論は、重力を予測し、その仕組みを説明しています。
アインシュタインの一般相対性理論とは?
彼の等価原理から、アインシュタインは質量のある物体 (原子から星に至るまで) が空間と時間をゆがめていることを示すことができました。
そして、ニュートンが決して示すことができなかった何かを説明したのは、このゆがみでした:なぜ重力が離れた場所で作用することができるのか.
ビー玉に囲まれたトランポリン上のバスケットボールのように、より大きな物体は時空の構造に大きな歪みを生じさせ、近くの物体を引き込み、それらを曲線軌道で移動させます。しかし、体が小さくても効果があります。私たち一人一人が周囲の物体に小さな重力を加えています.
彼はニュートンとは非常に異なるアプローチをとっていたため、アインシュタインは別の種類の数学で、彼自身も最初はほとんど知らなかった:曲がった空間の数学.
そして彼は、重力がそれ自体に影響を与えるという驚くべき発見など、ニュートンが存在を疑う理由がなかったさまざまな二次的効果を考慮に入れなければなりませんでした.
一般相対性理論のアインシュタインの方程式は、ニュートンの方程式が行うすべてのことを行い、2 つの物体の間の引力の大きさを予測しますが、質量のあるものは空間と時間をゆがめる方法を記述しているため、それを行うことができます。
アインシュタインはニュートンが間違っていることを証明しましたか?
絶対に違います。ニュートンの仕事は記述的でした:彼は観察されたものに単純な数式をあてはめました.
彼の数学は重力がどのように機能するかについて何も教えてくれませんが、日常の物の振る舞いを説明するものとしては、非常にうまく機能し、今でも機能しています.
アインシュタインがしたことは、私たちが説明する力の原因を理解するのを助けることでした重力。
彼は、特定の状況が存在することを示すことができました。通常、重力の引力が非常に強くなり、ニュートンの方程式が十分な近似ではない場合です.
このような場合、より正確な数値を得るためにアインシュタインを連れてくる必要があります。また、アインシュタインは、ニュートンの物理学の基本的な仕組みでは想定さえできない予測を行うのにも役立ちます.
一般相対性理論にはどのような証拠がありますか?
一般相対性理論には膨大な量の証拠があります。
アインシュタインが彼の理論を思いつく前に、天文学者は歳差運動と呼ばれる水星の軌道の側面を説明するのに苦労していました.ニュートンの方程式では完全な効果を説明できませんでしたが、アインシュタインの研究では説明できました。
さらに、重力が空間と時間のゆがみによって引き起こされるという考えもテスト可能でした。これは、(たとえば) 非常に大きな物体の近くを通過する光が、体が作り出す歪んだ空間を通り抜ける曲線。
これは皆既日食中に太陽の近くを通過する光で初めて観測されました1919 年に発生し、それ以来、遠方の銀河がレンズのように作用し、その背後で光の経路を曲げていることが確認されています。
アインシュタインの方程式のもう 1 つの予測は、巨大な物体の近くにいると時間が遅くなるということです。これが、衛星ナビを提供する GPS 衛星からの信号を修正する必要がある理由です。
同様に、Gravity Probe B と呼ばれる実験では、アインシュタインが予見したように、回転する巨大な物体が時空を蜂蜜の中で回転するスプーンのように引きずることが実証されました.
重力とブラック ホールの関係
アインシュタインの理論の予測は、通常、彼の方程式の単純化されたバージョンを解いた結果です。最も初期のものの 1 つは、すべての物質が 1 点にある圧縮された質量、つまり「重力特異点」を説明しました。
その後、一部の老化した星は重力に抵抗できず、崩壊してそのような点を形成し、ブラック ホールを作成することが判明しました。ブラック ホールの重力は非常に強いため、光でさえ逃げることができません。
同様に、一般相対性理論は、宇宙の構造そのものが膨張し、契約する。観測と組み合わせることで、これは宇宙がどのように発展したかについての私たちの最良の理論であるビッグバンモデルの基礎となっています.
宇宙の膨張を加速させていると思われる不思議な現象である暗黒エネルギーに光を当てることができるのも一般相対性理論です.
重力波とは?
質量のある物体は空間と時間をゆがめます。したがって、その物体が空間を加速する場合、周囲の時空に波紋が発生するはずです。
これらのさざ波は重力波と呼ばれ、外側に向かって移動します。これは、電子がアンテナを上下に加速してラジオやテレビの電磁波を生成するのと似ています。
アインシュタインが一般相対性理論を開発した直後に予測した重力波は、膨大な数の発生源から常に生成されているはずです。ただし、重力は非常に弱い力であるため、これらの波を検出することは非常に困難です。
2015 年 9 月に LIGO 実験で初めて重力波が観測されたとき、それは、2 つのブラック ホールの合体によって引き起こされた、時空の大規模な乱れの結果でした。
LIGO の検出器は非常に敏感であるため、通過する車からビーチに打ち寄せる遠くの波まで、あらゆる振動を除去する必要があります。
重力波が重要である理由は、重力波が「アインシュタインの理論を証明する」からではありません。その証拠はすでにたくさんあります。光すら届かない年。
一般相対性理論はすべてを説明しますか?
ほぼ間違いありません。
一般相対性理論は非常に効果的であり、日常の物体の挙動を予測する場合には間違いはありませんが、いくつかの状況があります – 特に黒人の中心部では穴、またはビッグバンの前の宇宙を説明する際に - 理論が崩壊する場所.
非常に小さいものの物理学は、量子物理学によって非常に正確に記述されていますが、一般相対性理論と量子論は両立しません。自然界の他のすべての力は「量子化」されており、量が連続的に変化するのではなく、まとまって発生します。
仮定は、重力の量子理論を開発して他の力と一致させながら、より大きな物体に対するアインシュタインの理論と同じ結果を生み出すことが可能であるということです.
今のところ、弦理論/M 理論とループ量子重力が最善の試みですが、どちらも実用的な予測をまだ作成していません.
重力は素粒子によって引き起こされる可能性がありますか?
その可能性は非常に高く、すでにグラビトンという名前が付いています。量子論が電磁気学のような力の伝達を表す 1 つの方法は、「ボソン」と呼ばれるキャリア粒子の流れです。
電磁気学の場合、粒子は光子です。各粒子は、量子化された現象の「量子」 (チャンク) です。
したがって、重力が量子効果である場合、そのキャリアとして重力子があると仮定します。ただし、すぐに大型ハドロン衝突型加速器に現れるとは思わないでください。重力子が検出可能な方法で別の粒子と相互作用する可能性は非常に低いため、現在のところ、重力子を検出できる現実的に考えられる実験はありません。
反重力というものはありますか?
私たちが知っていることではありません。電磁気とは異なり、重力は一方向の効果であり、引き寄せるだけです。重力を他の力で相殺することができます。何かを手に取るたびにそうします。
反対の力が目に見えない電磁気である場合 (磁石の上に何かが浮いている場合など) は特に印象的ですが、反重力ではありません。
重力を防ぐ方法もわかっていません。重力はすべてを通り抜けます。重力を軌道に乗せることができれば、永久機関を作って自由エネルギーを生み出すことができます。水車の各櫂の同じ面にバリア物質を塗ります。
車輪の片側の櫂は、むき出しの面が地球に面しているため、重力を感じますが、反対側の櫂は重力から遮蔽されます。そのため、ホイールの片側だけが下に引っ張られ、永久に回転します.
反重力を発見するわずかな可能性は、反物質が通常の物質によって重力で反発される可能性があることです。
CERN の科学者はすぐにこれをテストするのに十分な量の反物質を手に入れるでしょうが、ほとんどの物理学者はそれが通常のものと同じように振る舞うと考えています.
宇宙論の詳細:
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- 私たちの宇宙には、私たちが物理学について知っているすべてを変える 5 次元があるかもしれません
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