なぜ私たちは地球が回転しているのを感じることができないのでしょうか?

回転に関しては、それほど単純ではありません。

ポール・デイヴィス

翻訳 |白江珠

多くの人は飛行機に乗ること、特に離陸するときに飛行機に乗ることを恐れます。私が直面している問題は彼らとは異なります。私のストレスは飛行機に乗り遅れるのではないかという心配から生じています。たとえ時間通りに飛行機に乗れたとしても、離陸間近になると緊張しすぎて眠ってしまいます。 30 分後に目が覚めると、飛行機がまだ滑走路上にあるのか、ロサンゼルスに向かっている途中なのか、よくわからないことがよくあります。

主な問題は、飛行機の内部からは飛行機が動いているかどうかが分からないことです。もちろん、飛行機が上昇中または下降中の場合は、それを感じやすいですが、空中で安定して飛行しているときは、この動きを検知することは困難です。ガリレオはこの問題を初めて明確に提起し、等速度は基準物体が存在する場合にのみ測定できると指摘しました。たとえば、車のダッシュボードに表示される速度は道路に対する車の速度であり、飛行機の速度は地面または空気に対する飛行機の速度です。

物理学者はずっと昔に等速運動は相対的なものに過ぎないと判断しましたが、地球が太陽の周りを回ったり天の川の中を移動したりするときに、どれほどの速さで動いているのか疑問に思う人もいます。私たちはこの動きを感じませんが、空間を移動しています。つまり、私たち自身を基準点とすると、空間は常に私たちの体の中を通過していますが、私たちはそれに気づいていません。では、宇宙の移動速度はどれくらいでしょうか?私たちが気づかないうちに、毎秒何リットルの宇宙空間が私たちの体内を通過しているのでしょうか？ガリレオが基準物体の問題を指摘した後、人々は宇宙における等速運動を測定できる物質的な装置は存在しないようだと気づきました。私たちは周囲の空間に手を伸ばすことさえできず、空間を通過する「空気の流れ」を検知することはできません。では、それを非物質的に測定する方法はあるのでしょうか?

19 世紀の終わりに、新たな可能性が生まれました。光を使って地球の宇宙空間での移動速度を測定できるのではないか、という可能性です。当時の物理学者たちは、宇宙は「エーテル」と呼ばれる幽霊のようなゼリー状の物質で満たされていると想像し、光波をエーテル内を特定の速度（光速）で伝播する振動とみなしていました。物理学者たちは、エーテル中を移動する地球の速度を測定するために、さまざまな光学機器を発明してきました。数年にわたる懸命な努力の末、彼らが得た結果は 0 でした。この結果は、地球が宇宙 (エーテル) 内でまったく動いていないことを示しています。これは明らかに意味をなさない。ガリレオの等速運動の相対性原理と光が一定速度で進むという理論の間には明らかな矛盾がありました。誰かが一歩踏み出して、空間、時間、運動、光の特性の性質を再評価する必要がありました。アインシュタインはこの挑戦を受け入れ、1905年に相対性理論に関する最初の有名な論文を発表して有名になりました。アインシュタインは、光の速度は一定であるが、光の速度を測定する観測者は動いていると主張して、エーテルの概念を否定した。同時に、彼は等速運動は常に他の物体との相対的なものであるとするガリレオの立場を繰り返した。彼は、宇宙に対する物体の速度を調べることは不可能な作業であるだけでなく、無意味でもあると指摘した。

これはすべて良いことですが、非等速運動（加速を伴う運動）の場合はどうでしょうか?この動きは問題なく測定できます。たとえば、飛行機が乱気流に遭遇してコーヒーがこぼれた場合、窓の外を見なくても、飛行機の空中での均一な動きが乱されたことを感知できます。加速とは、私たちが感知できる速度の変化のことです。運転中に急ブレーキをかけると、体が前方に傾きます。ハンドルを急に切ると、体が車のドアに激突します。これらは両方とも加速の例であり、前者は速度の変化であり、後者は方向の変化です。

一定の速度で回転すると加速も生じます。ニュートンは関連する例を挙げました。回転するバケツの中の水は渦を形成し、その渦の中央は低く、その周囲は高くなります。通常、この現象は遠心力によるものと考えられています。 「バケツは回転しているか？」という疑問に対する答えは、地面に対して水面が動いているかどうかを確認しなくても、水面が穏やかかどうかを観察するだけですぐに得られます。この例から、ニュートンは回転と加速運動は他の物質系を基準にして測定する必要はなく、これらの運動は絶対的であることに気づきました。簡単に言えば、加速度は絶対空間そのものに相対的です。

しかし、誰もが彼の見解に同意したわけではない。 20 世紀までは、回転さえも相対運動として理解されなければならないと考える科学者もいました。それで、参照するものは何ですか?過去の物理学者は、これを「恒星」に相対的なものとして語ることが多かった。しかし、星は永遠でも不変でもありません。彼らはあまりにも遠くにいるため、私たちは彼らの動きを無視してしまうのです。おそらく、回転は宇宙の遠くにある物体に相対的であると言う方が適切でしょう。この文章をよりよく理解するには、遊園地で目を閉じて大きな振り子に座っていて、非常に速い速度で円を描いて回転しているところを想像してみてください。さあ目を開けて上を見上げてください。何が見えますか?回転する星が見えます。星の回転が止まったら、振り子の冒険がついに終わったことがわかります。シートベルトを外して降りましょう!

この日常的な経験から、オーストリアの物理学者で哲学者のエルンスト・マッハをはじめとする一部の人々は、遠くの星が加速感覚の源であると考えるようになった。はい、航空機の速度を表すのに使用される単位は彼にちなんで名付けられています。回転する遊園地の座席の端に引っ張られるような感覚を覚えたり、エレベーターで急降下したときに胃がむかむかするのは、星が引っ張っているからだとマック氏は言う。これは現在マッハの原理と呼ばれている魅力的な理論です。多くの人がこれをとても気に入っています。その中には、等速運動が相対的であるだけでなく、すべての運動が相対的であると信じていたアインシュタインもいます。アインシュタインはマッハの原理を一般相対性理論に取り入れたいと考えていた。彼は、遠く離れたすべての星や銀河の複合的な影響が局所的に検出可能な効果を生み出し、その 1 つが遠心力であると信じていました。

史上最も美しい理論

一般相対性理論は人類の知性の最高の成果として称賛されています。それは科学理論であると同時に素晴らしい芸術作品でもあります。一連の方程式を使用して、空間、時間、物質、力を巧みに組み合わせます。多くのボトムアップ型の物理学理論とは異なり、一般相対性理論は、すべての物理的特性は、それを記述するために使用される測定基準から独立している必要があるという考えなど、いくつかの非常に壮大な原理から生じています。物体の形状は、空間内の物質とエネルギーの配置によって決まります。ニュートンが提唱した重力は具体的なものではなかった。実際に存在していたのは、物質が撹拌され光が移動する、常に進化し、落ち着きのない幾何学的構造だけだった。ニュートンのやや退屈な「絶対空虚」という概念は、伸びたり、縮んだり、ねじれたり、曲がったり、脈動したり、振動したりできる活気に満ちた動的な実体としての空間という考え方に取って代わられ、その空間は振動の形でエネルギー波を光の速さで宇宙全体に伝達することになった。一般相対性理論はこれまで反駁の余地がなく、アインシュタインがこの素晴らしい理論を生み出してから 100 年経った今日でも、それに矛盾する観察結果は出ていません。

残念ながら、この作業は最終的に失敗に終わりました。アインシュタインの一般相対性理論によれば、惑星が真空中で回転している場合、その動きを「恒星」を基準にして測定しなくても、地球と同じように、その赤道は自転によって膨らむはずだと予測されている。アインシュタインの理論は、これまでで最も正確に重力を説明したものであり、回転の問題に関しては、回転は相対的ではなく絶対的であるというニュートンの見解を裏付けています。宇宙の速度について有意義な議論をすることはできませんが、真空中の物体の加速について議論することは依然として価値があります。

しかし、これは問題の全体像ではありません。物理学者や宇宙学者の中には、まだ解明されていない謎であるマッハの原理のより微妙な方程式のいくつかを改良しようとしている人もいる。実際、私の同僚の多くは、ニュートンのように空間を何かとして想像することもあれば、何もないとして想像することもあります。マッハの原理の魅力は、振り子の回転感覚を体感するなど、人間の日常生活と宇宙の構造を結びつける点にあります。詩人のフランシス・トンプソンは、この美しいつながりを次の言葉で称賛しました。

神はすべてのものを創造した。

近いか遠いか;

ぼんやりと神秘的な、

互いに接続されている。

花を摘んで、

一万個の星が瞬いています。

著者について

理論物理学者で宇宙生物学者のポール・デイヴィス（1946年 - ）は、アリゾナ州立大学の科学における基礎概念を超えたセンターの所長であり、地球外知的生命体探査（SETI）の探査後ミッションチームの議長を務めています。彼はサイエンスライターでもあり、『神と新物理学』、『神の心』、『最後の3分間』、『時間について: アインシュタインの未完の革命』、『タイムマシンの作り方』など、20冊以上の著書を執筆しています。

この記事は、「Who Will Eat Our Universe?」の第 7 章から抜粋することを許可されています。 （ノーチラス、CITIC Press）。

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