アインシュタインの宇宙: 相対論的重力理論の物理的基礎

ニュートンの万有引力からアインシュタインの幾何学まで

アインシュタイン以前に理解されていた重力は、ニュートンの万有引力の法則、つまり離れた場所で瞬間的に作用する力によって説明されていました。 20世紀初頭にアルバート・アインシュタインがもたらした革命^e世紀は、重力に対する私たちの物理的理解を根本的に変え、もはやそれを古典的な力ではなく、時空の幾何学そのものに結びつけました。

重力以前: 特殊相対性理論の理論的基礎

1905 年にアインシュタインは、絶対空間と絶対時間の古典的な概念に挑戦する特殊相対性理論を発表しました。 これは 2 つの仮定に基づいています。

• 物理法則はすべての慣性座標系で同じです。
• 真空中の光の速度は一定であり、光源や観察者の動きとは無関係です。

この枠組みでは、空間座標と時間座標が混ざり合って、と呼ばれる 4 次元の連続体になります。ミンコフスキー時空、を装備擬似ユークリッド計量によって定義されます: $$ ds^2 = -c^2 dt^2 + dx^2 + dy^2 + dz^2 $$ このメトリクスは 2 つのイベント間の不変間隔 $ds$ を保存し、粒子とフィールドが展開する参照フレームを構築します。

注： :
ミンコフスキー時空と呼ばれる 4 次元連続体は、アルバート アインシュタインの特殊相対性理論によって導入された基本概念であり、1908 年に数学者ヘルマン ミンコフスキーによって形式化されました。 これは、3 つの空間 \( (x, y, z) \) と 1 つの時間 \( t \) の 4 つの次元を持つ単一の数学的構造で空間と時間を統合する幾何学的枠組みに対応します。

注： :
擬似ユークリッド計量は、特定の次元 (時間など) が他の次元 (空間次元) と逆の符号を持つ距離を測定するための法則です。これは、物理的な意味に応じて、距離が負、ゼロ、正のいずれかになる相対論的時空連続体の本質的な性質を反映しています。

ソース ：アインシュタイン オンライン - マックス・プランク重力物理学研究所、相対性理論における生きたレビュー、2016

重力に直面した場合の特殊相対性理論の限界

特殊相対性理論は慣性系のみを扱うため、加速度と重力の影響は除外されます。ただし、重力は物体の軌道に正確に作用し、加速度として解釈できます。重力を統合するために、アインシュタインは次のように定式化しました。等価原理 : 均一に加速された基準座標系は、重力場内で静止している基準座標系と局所的に等価です。この基本的な考え方は、ニュートンの距離における力の概念とは異なる、重力の幾何学的記述への道を開きます。

注： :
等価原理では、重力と加速度は局所的に区別できないと述べています。これは、重力場が時空の幾何学的変形に相当するという考えを確立し、一般相対性理論の基礎を築きました。

一般相対性理論: 時空の曲率としての重力

1915 年に出版された一般相対性理論は、特殊相対性理論を非慣性座標系に拡張し、微分幾何学に基づく重力理論を提案しました。 時空は動的オブジェクトになり、その計量 \(g_{\mu\nu}\) は物質とエネルギーの分布に依存します。 基本法則は、非線形偏微分方程式系であるアインシュタイン方程式によって与えられます。 $$ G_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} $$

• \(G_{\mu\nu}\) はアインシュタイン テンソルであり、計量とその 2 次までの導関数の関数であり、時空の局所的な曲率を記述します。
• \(T_{\mu\nu}\) は、時空におけるエネルギーと運動量の密度と流れを表すエネルギー運動量テンソルです。
• \(G\) はニュートンの重力定数、\(c\) は光の速度です。

したがって、これらの方程式は、物質エネルギーが時空の曲率を決定し、この曲率が物体の動きを導き、重力はもはや力ではなく幾何学的表現であることを表しています。

物理的な意味と応用

一般相対性理論の物理的影響は複数あり、実験的に厳密にテストされています。

• 質量による光の偏向:1919 年にエディントンによって日食中に確認されたこの現象は、光が時空の曲線測地線に従うことを示しています。これは、質量によって引き起こされる曲率の直接的な効果です。
• 水星の近日点の歳差運動:水星の軌道上で太陽に最も近い点の動きは、1世紀あたり約43インチの弧を超える一般相対性理論によってのみ説明できます。
• 重力時間の遅れ:強い重力場 (星の近くや海面など) に置かれた時計は、高度や宇宙にある時計よりもゆっくりと鼓動します。この効果は原子時計によって正確に測定されています。
• 重力波:加速された質量 (ブラック ホールや中性子星の合体など) は、光の速度で伝播する計量の擾乱を生成します。 2015 年以降、LIGO/Virgo によって直接検出されました。
• 重力レンズ:非常にコンパクトな質量 (銀河団、ブラック ホールなど) は、光線を曲げて光学レンズのように作用し、遠くにある物体の像を歪めたり増幅させたりすることがあります。
• 重力赤方偏移:重力井戸内の光源から放射される光は長波長側にシフトし、この現象はパウンド・レブカ実験で確認されました。
• GPS と相対論的ナビゲーション:GPS 衛星は相対論的影響、つまり速度 (特殊相対性理論) や高度 (一般相対性理論) による時間の遅れに合わせて時計を補正する必要があります。そうしないと、精度が急速に低下します。
• 相対論的宇宙論:一般相対性理論は、フリードマン方程式、ビッグバン、加速膨張、暗黒エネルギー、インフレーションなど、宇宙の動的なモデリングを可能にします。これは、小規模なスケールに限定されたニュートン宇宙論に取って代わります。
• ブラックホール:アインシュタイン方程式の正確な解 (例: シュワルツシルト計量、カー)、それらは事象の地平線を持つコンパクトなオブジェクトを予測します。間接的（降着、星の動き）および直接的（EHTによるM87*の画像）観測によって確認されました。
• レンズチラ効果 (フレームのドラッグ):回転する物体は、その周りの時空を引きずります。この効果は重力探査機 B 衛星によって確認され、時空幾何学の動的な性質を示しています。

構想から計算まで

アインシュタインによる重力の完全な物理的理解は、次の概念の習得を必要とする洗練された高度に幾何学的な数学的構造に基づいているため、非常に複雑です。

• 4次元時空の擬リーマン幾何学。
• テンソル計算: 計量、リーマン曲率テンソル、リッチ テンソル、アインシュタイン テンソル。
• アインシュタイン方程式につながるラグランジュと変分定式化。
• 厳密解の物理的解釈 (例: Schwarzschild 計量、Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker 計量)。

その結果 (GPS、ブラック ホール、宇宙論) は観察可能で実験的に確認されているにもかかわらず、その完全な理解は今日でもこれらのツールの訓練を受けた少数の物理学者に限定されているのはこのためです。

相対論的重力理論の物理的基礎の概要

アインシュタインの重力理論は、いくつかの重要な物理原理に基づいた、宇宙の構造の徹底的な再定式化に基づいています。

• 強い等価性の原理:局所的には、重力場内の自由落下座標系は、重力のない慣性座標系と同等です。 この原理は弱い等価性原理を一般化し、基準系を適切に選択することで重力を局所的に排除できるという考えの基礎となっています。
• 重力の幾何化:重力は力として作用するというよりも、時空の湾曲の現れです。 物質とエネルギーの存在は、幾何学形状を決定し、物体と光線のダイナミクスに影響を与える計量 \(g_{\mu\nu}\) を変更します。
• 一般的な不変性:物理法則、特にアインシュタイン方程式は、微分可能な座標変換 (微分同相写像) のもとで不変でなければなりません。 これにより、物理的記述が選択された参照系から独立していることが保証され、時空幾何学の本質的な性質が確認されます。
• ソースとしてのエネルギー運動量テンソル:質量が唯一の発生源であるニュートン重力とは異なり、一般相対性理論は、テンソル \(T_{\mu\nu}\) にカプセル化されたあらゆる形式のエネルギー、運動量、圧力を曲率の発生源とみなします。

これらの基礎は、時空が物質エネルギーの分布に従って進化する動的宇宙を暗示し、宇宙の膨張、ビッグバン、ブラックホールをアインシュタイン方程式の自然解として説明できる相対論的宇宙論への道を開きます。