この記事はランカスター大学の David Lyth が執筆し、The Conversation で発表されたものです。 1915年11月、ちょうど1世紀前、プロイセン科学アカデミーでの一連の講義で、アルベルト・アインシュタインが、重力の捉え方、そして物理学そのものに革命をもたらす理論を発表し、これが真実であることが証明されました。 2世紀もの間、ニュートンの極めてシンプルでエレガントな万有引力理論が、この問題をうまく説明しているように思われたのだ。

アインシュタインの一般相対性理論の出発点は、1905 年に発表された彼の特殊相対性理論でした。 これは、重力がない場合の物理法則をどのように定式化するかを説明したものである。

この理論は、（ニュートンが仮定したような）ある種の絶対的なエーテルに対する相対的な動きではなく、互いに一定の速度で動いている異なる場所間の運動をどう解釈するかを説明するものであった。 物理法則は普遍的なものですが、見る人によって、移動の速さによって、出来事のタイミングが違って見えるといいます。 地球から見ると1000年かかると思われる出来事も、猛スピードで移動している宇宙船の中では1秒しかかからないように見えるのです」

アインシュタインの理論の中心にあるのは、光速が速度を測定する観測者の動きと無関係であるという事実である。 常識的に考えて、線路のそばで車に座っていると、通り過ぎる列車は、同じ方向についていくよりもずっと速く動いているように見えます。

この理論の意味するところは、普遍的な時間があるという考えを捨て、時計が記録する時間は宇宙を移動するときの軌跡に依存するということを受け入れなければならない、ということです。 この「双子のパラドックス」は、数学的な癖のように思えるかもしれないが、実は1971年、民間航空機に原子時計を搭載した実験で実験的に検証されている。 アインシュタインは、そのような加速を含むように拡張し、加速の原因となり、結局のところどこにでもある重力を許容するにはどうしたらよいかと考えました。 彼は、ケーブルが切れたエレベーターの中で自由落下する人々を想像し、物体は動かないか一定の速度で浮いているので、人々は重力を感じないだろうと考えたのである。 しかし、現在では、国際宇宙ステーションにいる人たちを見て、それが本当であることが分かっています。 どちらの場合も、重力の効果を打ち消す力はなく、人々は重力を感じない。 Mopic

Einstein はまた、重力の効果は加速度の効果と同じで、高速で走り出すと、あたかも重力に引っ張られているかのように、後方に押しやられることに気がつきました。 この2つの手がかりから、アインシュタインは一般相対性理論を導き出した。 ニュートンが重力を物体間に伝播する力として捉えていたのに対し、アインシュタインは、巨大な物体を中心に空間と時間の織りなす全体が曲がるために経験する擬似的な力として表現したのです。 彼は「これまでの人生でこれほど苦労したことはなく、数学に対する大きな尊敬の念を抱くようになった。 水星の軌道は完全な円形ではなく、太陽に最も近づく点があることを意味する。 ニュートンの理論では、この点は固定されていると予測されていましたが、観測により、水星は太陽の周りをゆっくりと回転していることがわかり、アインシュタインは一般相対性理論がこの回転を正しく記述していることを発見したのです。 それ以来、 一般相対性理論は多くの観測的テストを見事にクリアしています。

地球上の自分の位置を知るために GPS システムを利用するときは、 一般相対性理論を使っていることになります。 このシステムは 24 個の衛星から電波を発信しており、携帯電話や自動車の GPS 受信機はそのうちの 3 つ以上の信号を解析して、一般相対性理論を使って自分の位置を割り出しているのです。 もしニュートンの理論を使っていたら、GPSシステムは間違った位置を示していたでしょう。

しかし、一般相対性理論は大きなスケールの物理世界を記述するのによく機能しますが、量子力学は原子を構成するような小さな粒子に対して最も成功した理論として浮上してきました。 相対性理論と同じように、量子力学も直感に反している。 この2つを統合することが可能かどうかはまだわかりませんが、物理学に常識を取り戻すことはできそうにありません。

David Lyth（ランカスター大学名誉教授、物理学）

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