CATBIRD日記 (物理・数学・歴史・哲学・宗教の未解決問題を扱ってます)
相対性理論で時間と空間が変化する仕組み
Ⅰ.中に何もない時間と空間が歪む?
「一般相対性理論」では、重力により質量の周りの空間が歪み、時間が遅れるとします。しかし、空間そのものの中には何もありません。同様に時間の中にも何もありません。どうして、何もないのに歪んだり遅れたりするのでしょうか。
Ⅱ.真空中にある「場」
これから「時空間が歪む仕組み」を説明します。
真空中には「電場」「磁場」「ヒッグス場」と言う「場」があります。電磁波は「電場」と「磁場」の振動です。「電場」と「磁場」の振動が止まると電磁波はなくなります。このように、空間は「無」ではなく「振動する場」があります。
電磁波(=光)と同様に、物質も「空間の場」の振動です。ド・ブロイは、物質を波としました。そして、その波長を「λ=h/mv」と表現しました。これを「ド・ブロイ波長」と言います。
つまり、ド・ブロイは、粒子が「波動性」を示すと考えたのです。振動する粒子が移動すると、その軌跡は波となります。
その後シュレディンガーは、物質波の波形が「正弦波」であることを突き止め「波動方程式」を発見し、量子力学の建設において中心的な役割を果たしました。
ここまでは、粒子が点と考えられていました。しかし「点状粒子」同士は何処までも近づくことができ、粒子間に働く万有引力が無限大になる矛盾が起こりました。2つの「フェルミ粒子」は同じ場所に重なることは出来ませんが、点同士は無限に近づけるからです。
そこで湯川博士は素粒子を、「点状粒子」ではなく「広がった粒子」と考えることを提唱しました。これで、素粒子同士が無限に近づける矛盾を解消することが出来ました。
そして「超ひも理論」では、「広がった素粒子」を「超ひも」と考えました。「超ひも」は振動しており、振動数の多い「超ひも」程エネルギーや質量が大きいのです。これで、素粒子が振動し移動するとその軌跡は波形となる原因が分かりました。
Ⅲ.電磁場の歪みと光の曲がり
そして、重力によりこの「空間の場」が歪みます。振動しない場は伸びており、振動すると場は小さくなります。このため、振動する場(質量)の周囲は、質量の方向へ引かれます。まるで、トランポリンにボーリング玉を置いた時のように、「空間の場」は質量のある方向へ引き伸ばされます。
このように「電磁場」が重力により歪むので、電磁場の上を真っ直ぐ進む光は曲がります。「シュワルツシルト半径」の位置で、電磁場は「0」にまで圧縮されます。ですから、光は幾ら電磁場を伝わっても前に進むことは出来ず、そこから脱出できません。
Ⅳ.ヒッグス場の歪みによる物質の落下
物質が「ヒッグス場」を動くと、「ヒッグス粒子」が現れまとわり付かれ、動きにくさを与えられます。
2つの質量があると、①相手の質量の方向の「ヒッグス場」が②その反対側よりもより引き伸ばされ、「ヒッグス場」は薄くなります。①の方が、相手の質量に近く重力が強いので、より引き伸ばされるのです。
したがって、物質が同じ距離移動しても、現れる「ヒッグス粒子」の数は、「①の方向に動いた時生じる数<反対側の②の方向へ動いた時生じる数」となります。つまり、他の質量のある方向には動き易いのです。
粒子は上記のとおり振動し、絶えず様々な方向へ動こうとします。それを、ヒッグス粒子が止めています。他に質量がある時振動すると、粒子は②の方向より①の方向へ動き易いので、①の方向へ動いて行きます。これが「落下」です。
この様に、重力により「空間の場」が歪むので、光が曲がり物質は落下します。「電磁場」や「ヒッグス場」と言う実体を除いた後に残る何もない「空虚な空間」そのものは、重力によっても歪みません。なぜなら、歪むものが何もないからです。
そして、その「空間の場」の実体は「超ひもの網」です。真空中には「超ひも」が相転移して繋がった「超ひもの網」があります。そして「超ひも」が振動すると光や物質と見え、振動を止めるとそこは真空に見えます。
このように素粒子を点と考えると、点状の物質を取り除くと後の空間に何も残りません。つまり、空間は重力によっても歪まず、「一般相対性理論」を説明できません。
素粒子を振動と考えると、物質を取り除いても(=振動を止めても)、後に今まで振動していた実体(超ひも)が残ります。その実体(電磁場やヒッグス場)が重力により歪むので、光が曲がり物質は落下します。これで「一般相対性理論」における「空間の歪み」を上手に説明出来ました。
Ⅴ.重力による時刻の遅れ
また、強い重力場で粒子は動きにくくなります。物質が変化するのは主に「電磁気力」によります。そして「電磁気力」は、電荷を帯びた粒子間を光が往復することで生じます。光の往復数に比例した強さの「電磁気力」が生じます。
重力に逆らう方向へ光が進む時、光の速度は遅くなります。重力の方向へ光が進んでもその速さは光速度cのままです。ですから、強い重力場では粒子間を光が往復するのにより時間を要します。そして②「シュワルツシルト半径」の位置の強さの重力では光が前に進めないので、粒子間を光は往復出来なくなり電磁気力は生じません。
この様に強い重力場では「電磁気力」が弱まるので、同じ運動エネルギーを得ても粒子は動きにくくなります。つまり、時計を構成する粒子が動きにくくなるので、重力場では時計が遅れます。②の強さの重力下では、電磁気力は生じないので時計は止まります。
このように、強い重力場では生じる「電磁気力」が弱くなり、1秒間当たりの粒子の移動距離は短くなります。しかし、時計もゆっくりと時を刻むので、この時計を使うと電磁気力により粒子は無重力場と同じ距離を動いたと観測されます。
つまり、観測者にとって、重力の強さに影響されず生じる「電磁気力」の強さは不変です。どのような重力場(=加速系)でも、物理現象が同じに観測されることを「一般相対性原理」と言います。
このように粒子が動きにくくなるので、強い重力場で「粒子は質量が増加したように振る舞う」のです。時計を構成する粒子の重さが無限大になると、個々の粒子は全く動けずその時計は止まります。この理により、重力場では(時計の示す)時刻が遅れます。
これで「一般相対性理論」における「時刻の遅れ」を上手に説明出来ました。
Ⅵ.空間の場と静止系
ではこの「空間の場」は、相対性理論が否定する「静止系」でしょうか。空間に実体があれば、その実体を「静止系」とし運動の基準に出来そうです。
しかし、「ヒッグス場」の上を物質が等速直線運動をしても、何の力も加わりません。つまり、物質が「ヒッグス場」上で静止しているのか、或いはある方向へ等速直線運動しているのか、我々に知る術はありません。
このように、空間には「ヒッグス場」と言う実体がありますが、その①等速直線な動きを知る方法はなく、また物理現象は①の動きに無関係です。故に、「ヒッグス場」があってもその位置を特定できないので、「ヒッグス場」は「静止系」ではありません。
「電場」や「磁場」も同様です。「電磁場」の上を物質がどの方向へどれ位の速さで等速直線運動しても、物質から観測される電磁波(=光)の速さは同じです。これを「光速度不変の原理」と言います。
このように、位置を特定できないので、「電磁場」は「静止系」ではありません。
Ⅶ.特殊相対性理論において時空間が変化する仕組み
一方「特殊相対性理論」では、高速で移動する物質の空間と時間が変化します。つまり、移動速度に応じて観測者の空間と時間が変化するのです。
これでは観測者の数に応じた無数の空間と時間が必要です。しかし、この宇宙に空間と時間は1つしかありません。これをどの様に考えれば良いのでしょうか。
光速に近い速度で移動すると、物質は次第に動きにくくなります。そして、光速を超えることはできません。ですから、光速に近い速度で移動すると、物質はゆっくり動くようになり、時の進み方が遅くなったような現象が起こります。
これを「高速移動による質量増加」と言います。つまり、時計を構成する個々の粒子が重くなると、時計はゆっくり時を刻むようになります。
また、光速に近い速度で移動すると、物質は「ローレンツ収縮」します。そのために、高速で移動する観測者の持つ定規は収縮します。
観測者が移動しながら、遅れた時計と収縮した定規で光の相対速度(観測者から光が離れて行く速度又は観測者に光が近づく速度)を測定すると、その速度は常に299,790.25キロメートル/秒と測れます。これが「光速度不変の原理」です。
このように、光速に近い速度で移動すると、定規は「ローレンツ収縮」するため、空間は長く測定されます。時計はゆっくりと時を刻むので、(時計の示す)時刻は遅れます。
これで、「特殊相対性理論」の空間の変化と時刻の遅れを上手に説明出来ました。
Ⅷ.ビッグバンと宇宙空間の膨張
また、宇宙空間はビッグバンにより膨張しています。つまり、ビッグバンにより「空間の場」(「電磁場」や「ヒッグス場」)が相似膨張しています。天体から地球に来る光は、膨張する「電磁場」上を伝わるので、その波長が引き伸ばされ赤方偏移します。
ですから、これは「ドップラー効果」ではありません。「ドップラー効果」とは、①伝わる媒体である空気に対して音源が遠ざかると、伝わる音の波長が伸びる現象を言います。
ビッグバンでは光源である天体(ケース①の音源)は、媒体である「空間の場」(ケース①の空気)と共に相似膨張するので、光源の天体の後退で光が赤方偏移することはありません。光の波長が伸びるのは、天体から地球間の「電磁場」が膨張しているからです。
Ⅸ.万物の理論
「量子力学」と「一般相対性理論」は、すべて「超ひも理論」に統合されています。「超ひも理論」はまだ発展途上ですが、世界の理論家はその完成に没頭しています。万物を「ひも」と言う一つの実体で解き明かす「万物の理論」完成の日は遠くないかも知れません。
