宇宙のすべての物質が突然消えたとしても、宇宙はまだ存在するでしょうか?アイザック・ニュートンはそう考えました。宇宙はスタートレックのようなものだと彼は想像した ホロデッキ、シミュレートされた人、場所、物が投影される 3 次元のバーチャル リアリティ グリッド。ニュートンが彼のプリンキピアの最初のページに書いたように :「絶対的な空間は、それ自体の性質を持ち、外部のものとは関係なく、常に均質で動かないままです。」
これは日常生活で説得力があるようです。私は東へ、あなたは西へ、郵便局は動かない。しかし、ニュートンと同時代のドイツの数学者で哲学者のゴットフリート・ライプニッツは、この絶対空間の考えに難色を示しました。宇宙を構成するさまざまなものを取り除いてしまえば、「宇宙」はもはや意味を持たなくなる、と彼は主張した。確かに、ライプニッツのケースは、宇宙に出てみると、太陽やさまざまな惑星、すべてが互いに相対的に動いている物体からの距離だけを確認できるようになると、はるかに強く見え始めます。ライプニッツが主張した唯一の合理的な結論は、空間は「関係的」であるということです:空間は単にである 「絶対的な現実」ではなく、あなたとそれらのさまざまなオブジェクトとの間の絶え間なく変化する一連の距離（およびそれらのオブジェクト間の距離）。
逆に、ニュートンは答えた。絶対空間の影響は非常に顕著です。アイザック卿はそれを証明するための実験を行いました:回転するバケツの水です。この実験は単純に聞こえるかもしれませんが、空間、時間、運動、加速度、力の性質についての議論を引き起こし、今日まで続いています。
プリンキピアで 、ニュートンは私たちに水の入ったバケツを想像してもらい、そのハンドルでロープから吊り下げられている.バケットを時計回りに回すと、ロープが巻き上げられます。手放すとどうなる？バケットが反時計回りに回転し始めます。最初はゆっくり、次に速くなります。しかし、別のことも起こります。ニュートンが書いているように、水面は「容器の中央から徐々に後退し、容器の側面に沿って上昇し、凹状になります」。しばらくの間、バケツと水が一緒に回転します。最終的に、バケットは減速し、そのスピンは逆になります。水も減速し、徐々に再び平らになります.
高校生は「遠心力」について学びます。名前が付けられているのはいいことですが、実際に水がバケツの縁に押し寄せる原因は何でしょうか?バケツと「同期して」水が最も急速に回転しているときに水面が最も歪むため、バケツに対する水の動きではない、とニュートンは観察しました。もちろん、バケツと水は地球に対して回転していますが、これも説明できません。なぜなら、宇宙で同様の実験を行っても同じ結果が得られるとニュートンは信じていたからです。
ニュートンにとって、バケツの実験を説明する唯一の方法は、絶対空間に関して水が回転していると言うことでした.これは、慣性を呼び出すことを意味しました — プリンキピアのもう1つの重要なアイデア - 運動の速度または方向の変化に対する物体の抵抗。バケツと水が回転すると、バケツの側面が水が一直線に移動するのを防ぎます。代わりにリムを押し上げます。
しかし、オブジェクトが持っているのはなぜですか そもそも慣性？ 19 世紀、オーストリアの物理学者エルンスト マッハは、回転するバケツの中の水の動きを含め、運動と慣性の説明は、宇宙の残りの物質との関係でしか理解できないと信じるようになりました。マッハについては、バケツの拡大版が地球自体に見られる可能性があります。数十億年前の太陽系の形成以来、地球は水と同じように赤道が「膨らみ」ながら回転してきました。回転バケツ。マッハは疑問に思いました:地球の自転を止めることができ、代わりに残りの惑星や星が地球の周りを回転することができれば、地球の赤道はまだ膨らむのでしょうか?
ニュートンならノーと言ったでしょう:スピンもバルジもありません。しかしマッハは、答えは物体の慣性がどこから来るかにかかっていることに気付きました。それが何らかの形で宇宙の物質の大部分の結果である場合、実際には、残りの惑星と星がその周りを回っているため、惑星は依然として膨らんでいるでしょう.これは、ステロイドに関するライプニッツの関係図です。運動は相対的であるだけでなく、マッハが決定した慣性は関係の尺度です オブジェクトと宇宙の残りの物質の間。マッハの見解が正しければ、星と銀河は、近くと遠くにあり、ある意味で、地球の形とニュートンの回転するバケツの水の凹んだ形に責任があります.しかし、マッハは方法を言いませんでした それらの遠く離れた星や銀河が影響を及ぼしましたが、今日でもその答えは明らかではありません.
おそらく、マッハの最も熱心な読者は若いアルバート アインシュタインでした。アインシュタインは後に、彼が「マッハの原理」と呼んだもの、つまり物体の慣性は宇宙全体の物質の集合体に依存するというものを彼の重力理論に組み込むのに苦労しました。相対性。
アインシュタインの理論の圧倒的な成功は、ニュートンの絶対空間にとって最後の打撃でしたが、絶対空間がなければ、ニュートンのバケツを理解するのに苦労し続けています.彼の人気著書 The Fabric of the Cosmos の中で 、物理学者のブライアン・グリーンは、アインシュタインの理論はニュートンの絶対空間を破壊したが、その代わりに別のもの、つまり時空として知られる4次元構造を私たちに与えたと説明し、これは絶対的であるとグリーンは主張する.あなたと私は、パレードの長さ、または行進者が移動した距離について意見が分かれるかもしれませんが、パレードの開始から終了までの時空を介した総距離については同意します。 4 次元で見ることができないため、これを想像するのは困難ですが、アインシュタインの理論の方程式によって保証されています。
それでも、これはこの問題に関するグリーンの最後の言葉ではありません。物理学者は現在、粒子に質量を与えると考えられている「ヒッグス場」が宇宙に浸透していると考えています。アインシュタインの時空は、加速度を測定できる基準フレームとして役立つかもしれませんが、ヒッグス場はそれよりも優れています。ヒッグス場を通過するすべてのものに抵抗を与えることで、そもそも物体が慣性を持つ理由を説明できるかもしれません。
さらに別のアイデアは、アリゾナ州立大学の物理学者 Paul Davies によるものです。彼は、「空」の空間は、実際には短命の亜原子粒子が飛び出してはじける泡でできていると指摘しています。この量子的な「真空のはしゃぎ」は、絶対空間の代わりになる可能性があると彼は言います。
3 世紀以上経った今でも、ニュートンの回転するバケツによって引き起こされた空間と運動、質量と慣性に関する疑問は、物理学者と哲学者の両方を悩ませ続けています。 何か 水をバケツの側面に押し付けて上昇させますが、それが最終的に時空の構造なのか、ヒッグス場なのか、ある種の量子泡なのかはまだわかりません.
ダン・フォークは、トロントを拠点とする科学ジャーナリストです。彼の著書には が含まれます シェイクスピアの科学と 時間を求めて。 Twitter で彼をフォロー @danfalk.
参考文献
1. Cohen, I.B. &Whitman, A. Isaac Newton / The Principia:Natural Philosophy の数学的原理:A New Translation カリフォルニア大学出版局、カリフォルニア州バークレー校 (1999)。 ザからのすべての引用 プリンキピア
2. アレクサンダー、H.G. ライプニッツ-クラーク通信、ニュートンのプリンキピアとオプティックスからの抜粋 マンチェスター大学出版局、マンチェスター (1956).
3. Barbour, J. &Pfister, H. (Eds.) マッハの原理:ニュートンのバケツから量子重力まで (アインシュタイン研究、第 6 巻 ) ビルクホイザー、ボストン、マサチューセッツ州 (1995).
見る: 宇宙が膨張した理由
この古典的な Facts So Romantic の投稿は、もともと 2016 年 1 月に公開されたものです。
