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何故、光は重力により曲がるのか
光には重力質量がある
光には慣性質量はありませんが、重力質量があります。その為に、光は無限の彼方まで届きますが、重力により曲げられるのです。
質量には2種類あります。それを説明します。
力F=質量m×加速度aです。そして、質量mには慣性質量と重力質量があります。慣性質量とは動き難さです。重力質量とは、他の物質の万有引力に引かれる性質です。
物質AとBが、地球の重力により落下する場面を考えます。物質Aの質量m1=2×物質Bの質量とします。
物質AとBが地球の重力により引かれる力Fは①のとおり計算されます。
①F=GMm/r2
このmは、重力質量を表しています。Fは落下する物質の質量に比例するので、
物質Aが地球の重力に引かれる力=2×物質Bが地球の重力に引かれる力
です。
一方、物体に力を加えると加速します。加速度は質量に反比例します。従って次の様に表せます。
②(a=F/m)⇒(F=ma)、(力=質量×加速度)
このmは、慣性質量を表しています。全ての物質で慣性質量が2倍となると重力質量も2倍となります。つまり①m=②mです。
①と②より
ma=GMm/r2、∴a=GM/r2となります。つまり、落下する物質の質量に関係なく、重力加速度は同じです。ですから、全ての物質はその質量に関係なく同時に落下します。
簡単に言えば、落下する物質の質量が2倍となると、動き難さである慣性質量と他の物質の万有引力に引かれる力も2倍となります。動かそうとする力も2倍となりますが、動き難さも2倍となるので、同じ動きをするのです。
光には慣性質量がないので、無限の遠方まで届きます。しかし、重力質量があるので重力により曲げられるのです。
光の質量
光にはエネルギーがあります。そして、質量とエネルギーは等価です。
可視光線は、紫から赤までです。赤い光は3.9×1014Hz(ヘルツ)・紫の光は7.9×1014Hz(ヘルツ)です。1Hzは1秒間に１回振動する光です。そのエネルギー量が、6.626069×10-34J(ジュール)であることは、既に説明しました。
赤い光の1秒当たりの振動回数ν回/秒=3.9×1014回
紫の光の1秒当たりの振動回数ν'回/秒=7.9×1014回
です。ですから
赤い光のエネルギー量E=h(ジュール*秒)×3.9×1014回/秒= 2.584166×10-19ジュール
紫の光のエネルギー量E'=h(ジュール*秒)×7.9×1014回/秒= 5.234594×10-19ジュール
です。これを質量に直すには、E=mc2⇒m=E/c2を使います。
赤い光の質量m(㎏)= 2.584166×10-19ジュール÷c2=2.584166×10-19ジュール÷{(2.997924×108)ｍ/秒}2=2.875272×10-36㎏
紫の光の質量m'(㎏)= 5.234594×10-19ジュール÷c2=5.234594×10-19ジュール÷{(2.997924×108)ｍ/秒}2=5.824270×10-36㎏
です。これで可視光線は、2.875272×10-36㎏から5.824270×10-36㎏までの質量を持つことが分かりました。従って、光も重力質量を持ち重力によって落下することが分かります。
重力の仕組み
量子力学では、重力は、グラビトンがものの間を往復することで生じると考えます。あたかも、グラビトンが輪ゴムの様に、2つのものを近づけるのです。空間が歪むとは考えません。
