軌道回転とは？基本的な図は明らかです。1 つの物体は静止しており、もう 1 つの物体はその周りを円形または楕円形の経路をたどっています。問題は、どの体がどれであるかを把握することです。あなたが地球の表面に立っている場合、太陽は 1 年に 1 回ゆっくりとあなたの周りを公転しているように見えます。 (もちろん、地球は自転しているので、空全体が 1 日に 1 回、あなたの周りを回転しているようにも見えます。サイクル。）しかし、太陽の表面では、地球が あなた の周りを回っているようにも見えるでしょう。 年に一度。これらのうちどれが太陽系の真の動きを反映しているのかを明らかにすることは、単なる見かけの動きとは対照的に、かつて激しい論争の的となっていました.
たとえば、17 世紀の物理学者ガリレオ ガリレイは、地球が静止した太陽の周りを公転していると主張したことで異端の罪で有罪判決を受けました。自宅軟禁下で生涯を終えた。それでも、彼は、地球が動いたという信念を含む異端的な見解のために 1600 年に生きたまま火あぶりにされたジョルダーノ ブルーノよりもましでした。
私たちは皆、この物語がどのように終わるかを知っています。その鍵は、17 世紀後半の傑作、自然哲学の数学的原理で知られるアイザック ニュートンによって提供されました。 、太陽系の真の動きを完全に解決するために書かれました。これを行うために、ニュートンは、夜空の太陽、惑星、および他の物体が互いにどのように影響を与えるかを説明した有名な万有引力の理論とともに、空間、時間、および運動の新しい理論を生み出しました。彼の理論はどちらでもないことを示した 太陽も地球も静止していた:どちらも太陽系の重心の周りを周回していた.しかし、太陽は非常に大きいため、太陽系の重心は太陽の中心に非常に近いため、ガリレオとブルーノはすべての実用的な目的でうまくいきました.
少なくとも、ニュートンの理論が正しい限り、彼らは物事を正しかった.今日、物理学者は、ニュートン重力は、アインシュタインが約 1 世紀前に開発した空間、時間、および重力の別の理論である一般相対性理論の有用な近似値にすぎないと考えています。一般相対性理論における軌道回転は、ニュートンや 20 世紀以前の誰が想像したよりもはるかに微妙であることが判明しました。実際、カリフォルニア大学アーバイン校の物理哲学者であるデビッド・マラメントは、一般相対性理論には、上にスケッチした基本的な図に匹敵する回転の概念がないことを示しました。 (完全な開示:Malament は UC Irvine の私の同僚であり、それ以前は私の Ph.D. スーパーバイザーでした。)
物体が何かを回転させているかどうかをテストしたいとします。ニュートンの場合、実行できる簡単な実験がいくつかありましたが、どれでも十分です。簡単にするために、リングの中心を通り、その平面に垂直な仮想軸の周りを回転する (または回転しない) 円形のリングについて考えてみましょう (基本的には、車軸の周りを回転する自転車の車輪ですが、接続スポークはありません)。リングなので、球のようにオブジェクトのさまざまな部分で速度が異なることを気にする必要はありません。 （ほとんどの場合、低次元のケースについて考える方が簡単です。）しかし、この単純なケースでも、リングが回転しているかどうかに関して、一般相対性理論には基本的なあいまいさが存在することがわかります。
リングが回転しているかどうかをテストする 1 つの実験を次に示します。あなたがリングの中心の軸上にいるとします。望遠鏡をリングに向けて、リングが動いて見えるかどうかを確認します。もちろん、これが機能するには、自分と望遠鏡が同じ軸を中心に回転していないことを確認する必要があります。その場合、リングが回転していなくても回転しているように見えることがあります。これは、ニュートンが最初に提案した簡単なテストで確認できます。水の入ったバケツを用意します。水面が完全に平らであれば、バケツは回転していません。途中で。望遠鏡がバケツに対して回転していない場合 (たとえば、望遠鏡をバケツの上部に接着したため)、リングがまだ動いているように見える場合は、リングが実際に回転していると結論付けることができます。
リング自体で実験を行って、軌道の回転をテストすることもできます。これを行う1つの方法は、リングの周りに一連のミラーをセットアップして、レーザーを照らし、ミラーがレーザーをその周りで跳ね返すようにすることです.これを 2 回行い、リングの反対側の 2 つの方向にレーザーを照射し、各方向の往復時間を測定するとします。リングが回転している場合、一方の方向に移動する光は、反対方向に移動する光よりも短い距離を移動する必要があります。これは、リングが一方の光線と同じ方向に移動し、もう一方のビームと同じ方向に移動しないためです。この方法で回転を測定するデバイスは、サニャック干渉計として知られています。それらは非常に感度が高く、ナビゲーションで広く使用されています.
軌道回転を測定する 3 つ目の方法は、ジャイロスコープを使用することです。ジャイロスコープは、ホイールがベースに対して移動できる軸の周りを自由に回転できるように、ベースに取り付けられたホイールです。ジャイロスコープは方向の変化を測定します。これは、ホイールが軸を中心に回転し始めると、ジャイロスコープのベースを動かしても、同じ軸を中心に回転し続ける傾向があるためです。たとえば、航空機では飛行機の姿勢の変化を測定するために使用され、スマートフォンでは電話の動きを検出するために使用されます。以下のように、ジャイロスコープを同様に使用して、リングが回転しているかどうかを判断できます。ジャイロスコープのベースをリングに取り付け、リングに接する軸を中心にホイールを回転させます。リングが回転している場合、ベースはリングと一緒に回転するため、ジャイロスコープ ホイールの軸はベースに対して移動します。リングが回転していない場合、ジャイロスコープの軸はベース (およびリング) に対して静止したままになります。
ニュートン物理学では、これら 3 つのテストはすべて常に一致します。結局のところ、それらはすべて同じことを測定します:軌道の回転です。しかし、一般相対性理論では、これらのテストのうち 2 つがすべての場合に一致することはありません。これは、一般相対性理論には「軌道回転」という記述に完全に答えるものは何もないことを強く示唆しています。
これを理解する鍵は、アインシュタインがどのように慣性を再考したかにあります。ニュートンにとって、慣性とは、重力などの外力が作用しない限り、一定の速度で直線的に移動しようとする物体の傾向でした。軌道は直線ではないため、軌道回転は必然的に非慣性運動です。一般相対性理論の状況はまったく異なります。そこでは、直線の慣性軌道から物体をそらす代わりに、宇宙の質量とエネルギーの分布に依存する方法で、直線を歪めることによって重力が作用します。この歪みは、時空の曲率として知られています。一般相対性理論ではデフォルトで直線をたどるのではなく、物体は曲線上を移動します。別の言い方をすれば、最も直線の上を移動します。 曲がった空間と時間の線。
慣性がどのように機能するかのこれらの変化は、奇妙な結果をもたらす可能性があります。たとえば、太陽やブラック ホールなどの巨大な物体が自転している場合、それによって空間と時間がねじれ、慣性運動と直線的で非回転運動との間のニュートンのリンクが壊れます。この現象はフレームドラッグとして知られています 、地球を周回する衛星を使用して実験的にテストされています。
これは、地球がしないことを意味しますか? 太陽の周りを回る？そんなに早くない。たまたま、ニュートンの理論は、太陽系における一般相対性理論の優れた近似を提供します。したがって、すべての実用的な目的のために、地球は太陽の周りを回っていると言っても過言ではありません。しかし、マラメントの結果が示しているのは、回転が脆弱な概念であることです。宇宙船が回転するブラック ホールの近くを移動するなど、より極端なケースもあります。船がブラック ホールを周回しているかどうかを尋ねる意味はありません。そのような場合、ブラック ホールは空間と時間をひどく歪め、回転の概念そのものが崩壊する可能性があります。
James Owen Weatherall は、カリフォルニア大学アーバイン校の論理学および科学哲学の教授です。彼の最新の本は です Void:The Strange Physics of Nothing (Yale University Press、2016 年)、17 世紀から今日までの物理学における空の空間の構造を探ります。彼のウェブサイトは jamesowenweatherall.com にあります。
視聴: プリンストンの物理学者 ポール J. スタインハートが、宇宙の過去を知ることができるかどうかについて議論します。
先頭の画像は Flickr 経由で NASA のマーシャル宇宙飛行センターから提供されたものです .
