100年後、アインシュタインの一般相対性理論は大きなパーティーと大きな試練に直面する
アラン・ボイル著
今週はアルバート・アインシュタインの一般相対性理論の100周年であり、マニアにとっては祝賀すべき出来事だが、この概念の最も厳しいテストは、おそらく始まったばかりだ。
一般相対性理論は、10年前にアインシュタインが提唱した大いなるアイデア、特殊相対性理論の発展形です。1905年、彼は光の速度が観測者の視点に関わらず一定である理由を説明する方法を編み出しました。それは、空間と時間が不変の尺度ではなく、視点によって異なる測定法を持つ相互に関連した次元だからだ、というものです。
特殊相対性理論は、当時物理学者たちを悩ませていた多くの奇妙な現象を説明しましたが、この理論は加速を伴わない「特殊な」条件、例えば重力場における物体の落下の仕方などにしか適用できませんでした。1915年11月25日、アインシュタインは空間と時間の相互作用が重力と宇宙の構造を生み出す仕組みを解明しました。
一般相対性理論は1919年に最初の大きな試練に遭いました。皆既日食の観測結果が、アイザック・ニュートンの重力観よりもアインシュタインの重力観とより一致することが判明したのです。それ以来、一般相対性理論は数々の試練を乗り越えてきました。例えば、相対論的効果を考慮に入れなければ、GPSの測定値は狂ってしまうでしょう。
今週は、この理論とその影響について100周年を振り返る絶好の機会です。以下にいくつかご紹介します。
- ニューヨーカー誌は「相対性理論100周年」を祝う一連の記事を発表した。その中には、英語で最もよく使われる1,000語のみを使った、XKCDの漫画家ランドール・マンローによる相対性理論の必読解説記事も含まれている。
- PBS NewsHour は、この記念日を記念して、カリフォルニア工科大学の物理学者ショーン・キャロル氏による物理定数の不変性に関する見解を初めとする一連のコラムを制作した。
- ネイチャー誌の特別レポート「一般相対性理論100周年」は、相対性理論研究の過去と未来に焦点を当てており、9.99ドルで電子書籍も提供している。
- サイエンス誌は、3月にアインシュタインの誕生日の特別レポートで早くも報道を開始したが、すでにご覧になった方でも、インタラクティブコミックだけでももう一度ご覧いただく価値がある。
一般相対性理論はこれまであらゆる検証をクリアしてきましたが、重力についてはまだ解明されていない点が多く残されています。大きな疑問の一つは、アインシュタインが予言したものの、まだ直接観測されていない現象である重力波に関するものです。
もしそのような波が存在するならば、それを検出するための現在最良の装置は、ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストン近郊に施設を持つ、MITとカリフォルニア工科大学の共同運営による先進レーザー干渉計重力波観測装置（Advanced LIGO）である。
Advanced LIGOは9月中旬に最新の観測キャンペーンを開始し、1月に最初の観測を終了する予定です。LIGOは遠方の超新星やブラックホールの衝突によって発生する波を捉える可能性があります。こうした観測は、アインシュタインの一般相対性理論を裏付けるものになるかもしれませんし、あるいは研究計画に支障をきたす可能性もあります。
例えば、G4vと呼ばれる代替仮説があります。これは、物質波動関数の4つのベクトルを用いて重力を捉える別の方法を提示するものです。この概念は、カリフォルニア工科大学の工学・応用科学名誉教授であるカーバー・ミード氏によって提唱されています。
連星系からの重力波が系の自転面に対して垂直な方向を向いていると判明すれば、アインシュタインの見解を裏付けることになる。しかし、もしそれが端方向の方向であれば、G4v理論を支持することになる。
G4vが勝利すれば、「それはまさに理論物理学における大きな革命の到来を告げるものとなるだろう」とワシントン大学の物理学者ジョン・クレイマー氏はAnalog誌の「別の視点」コラムで書いている。
「ブラックホールは、重力井戸の底で待ち伏せする、特異点のない、単なる超縮退コンパクト星になるだろう」とクレイマーは言う。「G4vは、遠方から遠ざかるIIa型超新星の減光が、部分的に相対論的ビーミングによるものだと説明しており、非ゼロの宇宙定数を必要としないため、ダークエネルギーは存在しないだろう。」
Advanced LIGOの成果は、一般相対性理論を裏付けるか、重力波の検出を完全に逃すかのどちらかになる可能性が高いでしょう。しかし、アインシュタインが物理学界を揺るがしてから1世紀以上が経った今、宇宙に関する新たな概念について考察してみるのは、実に興味深いことではないでしょうか？ LIGOの進捗状況を追跡するには、プロジェクトの公式ウェブサイトをチェックし、Twitterで@livingligo（物理学者アンバー・ステューバー）をフォローしてください。
この記事の原文では、一般相対性理論を支持する1919年の観測において、水星が観測対象として誤って記載されていました。この誤りを指摘してくださったレナード・トラミエル氏に感謝します。相対性理論と水星の軌道の関係について詳しくは、トーマス・レベンソンの最近出版された著書『バルカンを探して』をご覧ください。
