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くるんちゅ日記

1991年生まれ、統合失調症、専業主婦。日常を綴ります。

24歳人妻といっしょにやさしく学ぶ「宇宙」(ニュートンからアインシュタインまで)

こんばんは、くるんちゅです。

 

 

 

 

 

夜になりましたね。

 

今日、わたしの住んでいる地域は曇りで星空は見えませんが、星のきれいな夜はだんなさんがわたしを車に乗せてくれて、ふたりで星を見に行きます。

 

 

そんな夜、わたしは星を眺めながら、この広大な宇宙に想いを馳せたりします。

 

 

昔の人も、おなじだったといいます。

「大地は球だ」とはじめて唱えたピタゴラス、キリスト教的観点から「無」からの宇宙創造を唱えたアウグスティヌス…

そして、地動説を唱えたコペルニクス。数学的に宇宙の構造を考えたケプラー、そして、天と地の法則を統一したニュートン…

 

 

 

ニュートンといえば、微積分法の発見や、光についての研究、ニュートン力学が有名ですが、彼の偉大な業績を総括してたったひとことで表すならば、「天と地の法則を統一したこと」となるでしょう。

 

 

 

それまでの地球は、宇宙の中心であって、宇宙とは別物、という扱いでした。

 

しかしニュートンは、宇宙の星々も地上の物体も、同じ運動法則で貫かれている地続きの世界のものだ、といいました。

 

リンゴが地球に落下するのも、月が地球のまわりをまわるのも、万有引力(重力)という同じ力によって引き起こされている、そしてその万有引力について説明した万有引力の法則に、自身が発見した運動の三法則(慣性の法則、運動方程式、作用・反作用の法則)を組み合わせれば、天地のあらゆる物体の運動を正しく説明できる、としたのです。

 

 

 

今回は宇宙のおはなし、ですので、ニュートンが発見した、星の運動に関係の深い万有引力についてやさしく説明しますね。

 

 

 

木の枝を離れたリンゴは垂直方向にますぐ落下しますが、リンゴを水平方向に投げれば、放物線を描いて地面に落下します。

そこで、このリンゴをものすごーく遠くに投げるとします。ほんとうにすごーーーく遠くに、です。

 

すると、ニュートン曰くリンゴはいつまでも地面に接触することなく、地球の丸い表面に沿うように落下し続け、ついには地球を一周してしまうのです。

 

このときの地球がリンゴをひっぱる力のように、あらゆる物体と物体を引き寄せる力を万有引力(重力)といいます。

そしてこのリンゴようにして月も地球に落下しながら地球のまわりをまわっている…というのがニュートンの考えです。

 

 

こうして、これまでの「地球と宇宙は別物」という考え方は否定され、「地球も宇宙も同じ運動法則が成り立つ地続きの世界」そして「地球も宇宙の一部」というあたらしい常識がうまれたのです。

 

 

 

しかし、星々の動きは万有引力の法則で説明することができましたが、「そもそも地球を含む宇宙はどうやって作られたのか」という問題がまだ残っていました。

 

 

それについてニュートンはこう考えました。

 

「もし宇宙の大きさが有限であれば、万有引力によって引き寄せられ縮んだ宇宙はやがて潰れてしまう。そうならないためにも、宇宙の大きさは無限でなければいけない、そしてそれは、宇宙全体である宇宙の空間・時間にも言える」…と。

 

 

そして、この無限の広がりをもつ空間を「絶対空間」、永遠の過去から永遠の未来まで続く時間を「絶対時間」といいます。

 

 

 

 

 

しかし、この「絶対空間」「絶対時間」という常識、を覆してしまうほどの斬新な理論を打ち立てた天才がのちに登場します。アインシュタインです。

 

 

 

 

 

アインシュタインが活躍することになる時代の物理学者たちは、当時「マイケルソン・モーリーの実験」という有名な実験があったのですが、この実験から得られた「地上のどの方向から観測しても光の速さは一定である」という不思議な結果を説明する必要性に迫られていました。

 

 

 

なぜ不思議であるか、の説明を簡単にしましょう。

 

例えば時速50kmで走っている車に、あなたが時速5kmで向かってすれちがおうとしたとき、あなたから見た車の速度は50+5=55km、にみえますね。

 

計算がわからなくても、ただ止まっている車に5kmで向かって歩いて行くよりも、向こうから走って向かってきている車にこちらからも向かっていくほうが、だんぜんはやく感じるということがわかればokです^^

 

 

 

ですが、この実験結果によれば、光はあなたがどの方向にどう歩いていたとしても、誰がどう見たとしても、同じ速度ですすんでいくのです。

 

 

つまり、光の速度は秒速30万kmですが、あなたが光に沿って歩いていても、反対方向に歩いていたとしても、その様子を静止している誰かが観測して光の速度をはかってみたとしても、同じ秒速30万kmだったということなのです。

 

 

これは、たいへん不思議な現象です。さらにいえば「矛盾」です。

 

 

 

そこでアインシュタインはこう考えました。

 

 

じゃあ矛盾が起きないように、光の速度が一定なの(光速度不変の原理)を素直に認めてしまって、もともとあった方程式を書き換えてしまえばいい!と。

 

 

 

つまり、速度=距離÷時間、というのの、「速度が一定なのだから、距離と時間を変えてしまおう!」というとんでもないことをやってのけたのです。

 

 

このようにしてあらゆる物理法則を見直していった結果、彼は常識を覆す真理を次々と発見していきました。

 

 

 

  1. 物体は光よりはやく動くことはできない
  2. 光の速度に近い速さで動くものは、縮んでみえる
  3. 光の速度に近い速さで動くものは、時間が遅く流れる
  4. 重いもののまわりでは、時間が遅く流れる
  5. 物体(特に重いもの)のまわりでは空間が歪む
  6. 重さとエネルギーはおなじもの

 

などです。

 

 

 

そのなかでも特に宇宙の構造に関するものをひとつ挙げます。

「物体のまわりでは空間が歪む(一般相対性理論)」というものです。

 

 

空間が「曲がる」といわれてもすこしイメージしにくいので、トランポリンを使って説明してみましょう。

 

 

トランポリンにボーリングの球を置いてみます。すると、トランポリンの表面はボールの重さでへこんで表面がまがりますね。

さらに、はじっこにテニスボールを置いてみましょう、するとテニスボールはボーリングの球のほうに転がっていってしまい、最後にはくっついてしまいますね。

 

これは、二つのボールが互いに引き合って(重力)くっついたようなかたちですが、実は空間(ここではトランポリンにたとえています)の歪みが引き起こした現象だった、というわけです。

 

 

これをもとに、アインシュタインは宇宙全体の姿を考えてみました。

 

 

すると、「銀河などの存在によって宇宙空間は曲がり、そのために大きさやかたちを一定に保てなくなり、最終的には縮んでつぶれてしまう」といった結論が導かれてしまったのです。

 

 

これには、ニュートンまでの時代の「永遠に同じかたちの宇宙」=「静的な宇宙」を信じていたアインシュタインは頭を抱えてしまいました。

 

 

 

 

そこでアインシュタインは、自らがつくりあげた相対性理論を意図的につくりかえ、つじつまを合わせようとしました。

 

 

空間が反発力をもつことにして方程式を書き換えてしまったのです。

 

 

空間が重力と同程度の反発力(この部分を宇宙項といいます)をもつことにすれば、重力がはたらき最終的につぶれてしまうとされる宇宙の、重力と反発力が釣り合うために宇宙は一定の大きさを保てる、というものです。

 

 

このつくりかえた方程式に基づいた、宇宙が一定の姿を保っているという説を、アインシュタインの宇宙モデルといいます。

 

 

 

ここで、アインシュタインの説に真っ向から反対する者があらわれます。

かれは宇宙項のない相対性理論の方程式を使って、「宇宙は膨張したり収縮したりするのではないか」という説を唱えたのです。

 

 

 

 

 

 

 

こうして、「静的な宇宙」は「動的な宇宙」へと変貌を遂げていくのですが、そのおはなしは、またつぎの機会に…

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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いかがでしたか。

 

本を読みながら、すこしずつ書きました。

わたしはちょっとお勉強不足、ですので、なにか間違っていることがあったらごめんなさいね。

 

 

 

ですが、お勉強不足のわたしなりに、一所懸命書きましたので、ここまで読んでくださりとてもうれしいです、ありがとうございました!^^

 

 

 

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↓この文章を書くのに参考にした記事です↓

 

 

www.yukihy.com

わたしなどの説明よりずーっとわかりやすく、美しい文章で書かれていて、ただただ感動するばかりです。

いつか、このような文章をかけるようになることが、目標です。

 

 

 

また、彼はこの発展としてこのような記事も書いています。こちらも非常にわかりやすく、おすすめです。

 

www.yukihy.com

 

 

 

 

 

 

ではでは、夜も遅くなってしまったことですし、わたしは眠ります(^^)zzzz…

おやすみなさい。