一般相対性理論の100年: アインシュタインが今もなお立っている理由

今月100年目を迎えたアルバート・アインシュタインは、自らの英雄アイザック・ニュートンを覆し、重力とは何かを再定義した。

ニュートンは、重力は他の力と同じように、物体を動かすために引っ張る力だと考えていました。しかし、アインシュタインは重力を空間と時間の構造そのものに織り込み、物体が移動する丘と谷の目に見えない地形を形作りました。このビジョンを説明する方程式は一般相対性理論として知られ、それ以来、現代物理学の礎となり、惑星や星の動きから暗黒物質の存在、宇宙そのものの初期の時代まで、あらゆることを理解するための新しい扉を開きました。

「今日では、これはまさに重力の標準モデルです」と、この理論に生涯を捧げてきたフロリダ大学の物理学者クリフォード・ウィルは言う。「この理論はあらゆる実験テストに見事に合格しました。」

それでも、この野性的な天才に挑もうとする人々は、代替理論を考案し続けている。一般相対性理論を修正する新しいアイデアは近年急増している。宇宙に新たな次元を加えるものもあれば、まったく新しい粒子を発明するものもある。これらすべてに共通するのは、それを裏付ける証拠がこれまで見つかっていないということだ。

「科学文献にはこうした理論が何百もある」とオックスフォード大学の理論物理学者テッサ・ベイカー氏は言う。「さまざまな方法で動作するあらゆる種類の重力理論を構築できる」

アインシュタインの方程式を完全に捨て去ろうと真剣に考えている人は誰もいない。私のような科学ジャーナリストに頼まれもしない原稿を郵送してきた変人を除いては。しかし、物理学者が一般相対性理論の成功にもかかわらず、それに不満を抱くのには十分な理由がある。一般相対性理論は、現実の最小スケールを支配する量子力学と相容れない。また、宇宙の加速膨張を説明するためにアインシュタイン自身が困惑したごまかしの要素も含まれている。しかし、ここ私たちの太陽系では、一般相対性理論は何度もその正当性を証明してきた。

水星について考えてみましょう。水星が天空を描いて描く楕円軌道は、時間の経過とともに回転します。ニュートンの数学は他の惑星のこの歳差運動を説明できましたが、水星は説明できませんでした。原因を特定したのはアインシュタインでした。太陽の近くの歪んだ時空は、太陽に最も近い惑星である水星に顕著な影響を及ぼします。

一般相対性理論は、太陽の重力による歪みが、太陽の近くを通過する光線をどの程度曲げるかを予測していた。南米とアフリカを旅した英国の天文学者チームは、日食中に太陽の近くで見える星を撮影して、この予測を確認したことで有名である。

その後、他の人々は、この実験に疑問を投げかけ、天文学者たちは見たいものを見たのかもしれないと主張したが、星やその他の天体は光を曲げるだけでなく、その色を変える能力があることは、今では十分に証明されている。天体の中には、遠くの物体から来る光を集光するものもあります。例えば、レンズとして機能し、惑星探査者が遠くの星の周りの異星を見つけるのに役立ちます。

地球の重力は太陽よりはるかに弱いが、技術の進歩により、その不思議な影響を身近なところで確認できるようになった。NASA の最長寿ミッションである重力探査機 B に搭載された軌道上の回転ジャイロスコープは、地球の質量と一致する形で揺れ動いた。その揺れは、時空構造をトランポリンの上のボウリングのボールのように歪ませ、蜂蜜の中でくるくる回るスプーンのようにねじ曲げていた。地球の表面では、原子の振動で時間を刻む世界で最も正確な時計は、テーブルではなく床に置くと、わずかに遅く進む。これは、床の重力がわずかに強くなり、時間が遅くなるためである。

惑星や恒星によって妨げられ、アインシュタインの理論に穴を開けることを望む人々は、宇宙のどこかにある未知の領域に目を向け始めている。

「約5〜10年前、一般相対性理論をより大規模なスケールで検証する必要があることに人々が気づき始めました」とハイデルベルク大学の理論物理学者ルカ・アメンドラ氏は言う。

宇宙の構造に関する相対性理論の予測を検証する新しいプロジェクトには、欧州宇宙ミッション「ユークリッド」や、今年チリで着工し、パノラマカメラを使用して銀河の写真を撮る予定の大型シノプティック・サーベイ望遠鏡などがある。

宇宙で最も重力が大きい物体、ブラックホールに注目している研究者もいます。

「私たちは、さまざまな状況で重力をテストしたいのです」とアリゾナ大学の天体物理学者ディミトリオス・プサルティスは言う。「ある閾値を超えたときに現れる新しい物理学の証拠を見つけられるかどうかを見たいのです。」

プサルティスは、銀河の中心にあるブラックホールを観測する国際天文学者チームに加わった。ブラックホール自体は目に見えない。その重力は非常に強いため、事象の地平線を越​​えたものは光も含めて何も逃れられない。しかし、事象の地平線のすぐ外側には、ブラックホールに落ち込む塵から発せられる光と電波のぼんやりとしたリングがある。

4大陸の10基近くの望遠鏡がこれらの電波を受信し、リングが一般相対性理論で予測されたサイズと形状であるかどうかを確認している。原子時計と同期したこのネットワークは、スペインからこの春に加わった共同研究の最新メンバーである南極望遠鏡まで広がる「イベント・ホライズン・テレスコープ」という1つの巨大な仮想望遠鏡として機能する。

今月打ち上げ予定の欧州宇宙ミッションもブラックホールを念頭に置いている。LISA Pathfinderと呼ばれるこのミッションは、2034年のミッションであるeLISAに搭載される予定の技術をテストする。eLISAは、2つのブラックホールが互いの周りを周回すると何が起こるかを調べるミッションだ。

一般相対性理論によれば、このようなカップルは時空に波を作り、それが外側に波紋を起こし、物体の膨張と収縮を引き起こすはずだと予測されている。9月にアップグレードされたばかりの地上観測装置LIGOは、何年もの間、こうした重力波を捉えようと試みてきたが、成功していない。eLISAは、3組の浮遊物体を使って網を投げかける予定だ。

宇宙の静寂の中で、合体しつつある2つの銀河にある2つのブラックホールからの電波が通過すると、それらの物体を運ぶ3機の宇宙船を結ぶレーザーで測定されるそれらの物体間の距離はわずかに変化するはずである。

「LISAはミッション期間中に数十回の合体現象を観測するはずだ」とケンブリッジ大学のジョナサン・ゲール氏は語った。

波を捉えても、必ずしもアインシュタインの理論が証明されるわけではない。波自体に垂直な方向でのみ距離が変化するはずだからだ。そうでなければ、物理学者は設計図に戻らなければならないだろう。

理論家たちは、これらのプロジェクトのいずれかが何か奇妙なものを発見した場合にどのような新しい物理学が必要になるかについて、今日私たちにほとんど何も語れない。彼らは、理論を正当化する証拠がないまま、数学を改良し、修正し、問題のある理論を捨てるなど、おもちゃの理論で遊び続けるだろう。しかし、彼らはデータがアインシュタインの理論に挑戦する日を夢見ている。それまでは、彼の重力理論は今世紀に渡って君臨し続けるだろう。