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2009年7月22日 (水)

日食で証明されたアインシュタインの相対性理論

 ボールを投げると放物線状に曲がりながら落下するように、私たちの身の回りにある質量をもつものはすべて地球の重力に引かれて地面に落下します。

 ニュートンは光は粒子であるから、光は投げたボールのように重力に引かれて落ちると考えました。ただ、光の速度があまりにも速いため、地球上では観測できず、光は弾丸のように直進すると考えたのです。

参考:夜明け前:ニュートンの光の粒子説-光の直進の説明

Newton1

 アインシュタインはエネルギーと質量は等価であり、相互に交換可能であることを示しました。彼のこの理論によれば、エネルギーをもっている光も重力の影響を受けて曲がることになります。

Einstein1921_by_f_schmutzer_4

 アインシュタインは自ら導き出した結果から、光も重力で曲がると考えました。彼は大きな重力が働いているとろころでは空間が歪むため、光の道筋も曲がると考えました。

 つまり、光は歪んだ空間の中を直進するが、空間が曲がっているのだから、その様子を外から見ると光が曲がって進んでいるように見えると説明したのです。

Photo

この理論は1919年5月29日の皆既日食のときに、太陽の陰に隠れて見えないはずの星が見えたことによって確かめられました。つまり、星の見える位置がアインシュタインの予言通りにずれていて、光の曲がり具合が太陽のまわりの空間の曲がり具合と同じであることが分かったのです。

つまり、重力によって空間が曲がった分だけ、光も曲がるということです。

下記の映像を見ると上図のイメージがつかめると思います。

Lente gravitacional durante un eclipse de Sol

http://www.youtube.com/watch?v=T884m5_QzWM

 さて、エネルギーと質量が同等で、光が重力によって曲がるならば、光に質量があると言っても良いのしょうか。私たちが物体の質量を考えるとき、物体は静止しています。この静止した物体の質量を静止質量といいます。光のような素粒子の質量も静止質量で表しますが、光の静止質量はゼロになります。

 ただし、光は静止することなく常に一定の速度で動いていますから、光の静止質量がゼロであるというのは便宜的な意味でしかありませんが、光はの光のエネルギーに相当する質量をもつと考えることができます。

 エネルギーと質量が同等であるということについては、重力は質量だけでなくエネルギーを持ったものと相互作用するので、光も重力の影響を受けると考えて良いのです。

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