時空の曲がりと測地線〜物が落ちるのは時間の進み方の違い

まっすぐ進んでも交わる球の上の道

平らな紙の上では、平行な 本の直線はどこまで延ばしても交わらない。紙が平らであることから成り立つ性質です。

球の上で、赤道の 点からどちらもまっすぐ北へ進む。出るときの向きは平行なのに、 本の道は北極で必ず出会います。

どちらの道も曲がっていない。平らな面では、まっすぐ進むことと平行を保つことが両立し、曲がった面では両立しません。

並べて落とした 2 つの物は近づく

高いところから、 つの物を少し離して同時に落とす。落ちていくあいだに、 つの間隔は少しずつ詰まります。

どちらの物も押されてはいない。 つの道がどちらも星の中心へ向かっているため、間隔が変わる。

まっすぐ進んでいるのに間隔が変わるのは、球の上の 本の道と同じ形です。落ちる箱の中に入っても、この近づき方だけは消せない。重力は、道の集まり方として時空の曲がりに書き直せます。

曲がっているのは空間ではなく時空

空間だけを曲げても、地上で物が落ちることは説明できない。投げたボールは、空間の中では大きな弧を描いて落ちます。

同じ運動を、縦軸を にとった時空図に描く。 秒の飛行は縦軸で 万 km になり、ボールが上がる m ほどは、その 億分の にも届きません。

世界線は、ほとんどまっすぐな線になる。そのわずかな反りを生んでいるのは、場所によって時間の進み方が違うことで、遅い物の落下はほとんどこの違いで決まります。

時計がいちばん多く進む道が測地線

曲がった時空での「まっすぐ」を、固有時で決める。同じ つの出来事を結ぶ道のうち、途中で押された道ほど速く動くことになり、その道を行く時計は少なく進みます。

押されずに進む道の時計が、いちばん多く進む。この道を測地線と呼び、自由に落ちる物は測地線に沿って進む。

図の 本では、自由に落ちる道の時計が 、押された道の時計が 進む(図の目盛りで)。旅に出た双子の時計が遅れるのも、同じ理由です。

物質が時空を曲げ、曲がりが道を決める

時空をどれだけ曲げるかを決めるのは、そこにある物質とエネルギー。その関係がアインシュタイン方程式です。

左辺が時空の曲がり、右辺が物質とエネルギーを表す。物質が時空を曲げ、曲がった時空が物質の進む道を決めます。

係数 は SI 単位で ほど。係数がこれだけ小さいため、身のまわりの物質がつくる時空の曲がりはごく小さく、星ほどの質量を集めてようやく観測できる大きさになる。

2 つの原理
時間と長さ
ローレンツ変換
時空図
力学
一般相対性理論