第19章 重力場

1 問題

ア 重力と万有引力

(重力場の作用だけを受けて運動する物体は、その物質にも物体の物理的状態にも少しも関係しない加速度を受ける。たとえば鉛片と木片とを初速度0あるいは同一初速度で落とすと、(空気のない空間の)重力場ではまったく相等しく落下する。)

イ 重力質量と慣性質量

(物体の重力質量と慣性質量とはたがいに相等しい、という定理が成り立つ。)

(ひとつの満足な解釈は、物体の同一の性質が状況によって〈慣性〉あるいは〈重さ〉として現されることを認めさえすれば、得られるのである。)

 

2 考察

 

 問題はなさそうなようですが、微妙な問題、しかし、一般相対性原理を成立させるためにじゃまになる二つの重要なことが、この章で消されています。そしてさして重要でないことがおおげさに取り上げられています。

ア 万有引力と重力の違い 

 アインシュタインは石が落ちることに対して、(ふつう「石が地球に引かれるから」と答える)と解答しています。そして、(重力場ではまったく相等しく落下する)としています。

 ニュートンの場合は、おそらく、「地球と石が引き合うから」と答えるはずです。

 これは同じ答えであると考えられそうですが、大きな違いがあります。

 ニュートンの万有引力は、物質が互いに引き合う力です。地球と石の相互作用です。ところが、アインシュタインの重力は一方的に石が落下しています。一方的作用です。石の重さとして考えています。だから、名前も、重力です。

 これは非常に微妙な問題です。地球上では石は確かに落下しているように見えます。石が地球を引っ張る力は、観測できません。無視していい力です。しかし、人間の観測技術では測定できなくても、ニュートンは、石も地球を引っ張っているとしたのです。リンゴが、地球を引っ張ると考えたことから、月が空に浮いていることの原理を考え付いたのです。それが万有引力です。

 反対に、アインシュタインは、石が地球を引っ張る力を無視します。そして一般相対性原理を考え付きます。この後出てくる重力は、肝心なときには必ず石が地球を引っ張る力は無視されています。

 その点において、ニュートンの万有引力と、アインシュタインの重力は微妙に違います。微妙だけれど、根本的な違いです。

 たとえばこの石の大きさが月ほどになると、地球を揺らします。月が地球の引力で楕円運動するように、地球も月の引力で楕円運動しています。相互作用しているのです。地球が太陽を引っ張る力と木星が太陽を引っ張る力は違います。だから、地球に比べ、はるかに太陽より遠い木星が、太陽を揺らすことができるのです。

 鉛片と木片が一見同時に落ちるのは、地球の引力と、このふたつの引力があまりにも違いすぎるためなのです。そのために鉛片と木片の質量の違いから来る地球の揺れや衝突速度の違いを人間の観察能力では測定できないだけです。

 たとえば、鉛片が月ほどの質量を持っていたら、地球は引っ張られて、揺れます。もちろんそれにともなって、地球も少し楕円運動をします。一方、木片が太陽と同じ質量を持っていたらどうでしょう。地球がその木片の周りを楕円運動します。もちろん、太陽ほど大きな木片も少し楕円運動をします。この鉛の代わりに、ブラックホールだったら同出そう。ブラックホールと、木片を同時に落とすとどうなるでしょう。同時に地球に落ちるでしょうか。おそらく、地球がブラックホールに引き寄せられ、地球は、その巨大な潮汐力で引きちぎられるでしょう。(重力場ではまったく相等しく落下する)などとのんきなことを言っていられません。質量によって動きは変わります。

(重力場の作用だけを受けて運動する物体は、その物質にも物体の物理的状態にも少しも関係しない加速度を受ける。)と述べていることは手のひらに入るような小さな物質と、地球という大きな質量の間のことにしかあてはまりません。鉛片が、無視できるほど小さな力で地球を引っ張っているときだけに通用する理論です。

 特殊相対性理論が実験室に入るような、小さなものにしか通用しないのと同じように、ここでも、手のひらに乗るような小さなものにしか通用しない法則です。本当は間違った法則です。測定できれば合わないからです。

 そしてその違いが、この後の章において、慣性力と、重力を同じものとするか、違うものとするかをわけているのです。

 いえば、石が地球を引っ張る力を無視することで、重力と慣性力は一致したとさえいえます。

イ 落ちる

 もうひとつは、重力を石の落下にたとえることで、重力は重さということにイメージを限定してしまいます。これが等価原理の証明のとき大いに役立つのです。万有引力の引き合う力では、等価原理は証明されないのです。

ウ 慣性質量と重力質量

 慣性質量と、重力質量が等しいことを事細かに述べています。これは次章で、慣性力と、重力が同じものであるといいたいために、述べているにすぎません。手品の種を仕込んでいるのです。

 これは数式をいじっているだけです。同じ質量をこのようにことばで分けるなら、現実と対比させなければなりません。すると、現実には、慣性質量と重力質量は違うものだとしなければなりません。

 慣性質量には、それ自体には他を動かす力はありません。しかし。万有引力質量には他の質量を引きつける力があります。重力質量はこれを無視しています。先ほど述べた、万有引力と、重力の違いがここにもあります。

 

表紙

第20章 一般相対性公準の論拠としての慣性質量及び重力質量の同等性