重力で空間が歪められるってあり得るの？

質問

重力で空間が歪められるってあり得るの？

「１９１９年５月２９日の皆既日食の日に、太陽の陰に隠れて見えないはずの金星が、太陽の引力で光が曲げられ、アインシュタインの予言通りに実際に観測され大騒ぎになった」という話はご存じだと思います。

観測時に存在したのは、３つの天体と、物質の存在しない真空の宇宙空間だけです。

アインシュタインは「質量とエネルギーは等価」と言っています。
「物質間の、時間と速度は相対的」とも言っています。
つまり、物質が存在しない限り、質量もエネルギーも時間も速度も存在しないのですが、

存在しない物質の、何がどの様に歪んだのでしょう。
存在しないエネルギーの、何がどの様に歪んだのでしょう。
存在しない時間の、何がどの様に歪んだのでしょう。
存在しない速度の、何がどの様に歪んだのでしょう。

仮に、「空間が歪む」とした場合、球体の太陽の周囲の歪みは均一で、どの方向の光も曲がるはずですが、以下の図の手書きの矢印の光は、結局、直進します。曲がりません。
「太陽に遮られて見えない」と説明するのなら、金星も同様に太陽に遮られて見えなかったはずです。

重力で空間が歪められるってあり得るのでしょうか。

本件に関連する質問は以下のURLでしています。
http://okwave.jp/qa/q6118855.html

回答No.14

stain18_8 · ベストアンサー

素人ですが回答します。

太陽の周りには"空間"が存在します。空間は質量によって歪みます。
私たちが地球に吸いつけられているのも、人工衛星が遠心力で飛ば
されないも空間が歪んでいるおかげです。

質問者様の図は概念的なものですが・・・窪みの中央には太陽が存在します。
手書きの矢印で示されている完全に直進してきた光は太陽にぶつかるのでは？
このとき、地球や太陽から相対的に見た光は、加速しているように見えますから
ある意味で"速度が歪んだ"とも言えます。絶対的な光の速度は同じですから
逆に"時間が歪んだ"と捉えても良いかもしれません。
（人工衛星の時計と地表の時計に誤差があるのはご存知ですよね？）

物質、エネルギーは今回の事象では特に関係ない気がします。

ちなみに、本来は地球の方向に向かっていなかった光が太陽の質量で歪んだ空間に
沿って直進し（見かけ上は曲がって）、地球に到達したのが重力レンズの現象です。

お礼

ご回答ありがとうございました。

以下の関連質問で回答が出ましたので、ここで質問を締め切らせていただきます。
http://okwave.jp/qa/q6250381.html

回答No.13

nananotanu

貴殿の一連の重力レンズに関する質問もそうですが…

Newtonの2010年7月号に特集されています。御一読下さい。図入りで分かりやすいと思いますよ。

お礼

ありがとうございます。
一読してみます。

回答No.12

k_kota

私もカッチリやってるわけでは無いのですが、とりあえずコメントしてみます。

＞物質が存在しない限り、質量もエネルギーも時間も速度も存在しないのですが

これはちょっと論理が飛んで無いですかね。

＞存在しない物質の、何がどの様に歪んだのでしょう。
＞存在しないエネルギーの、何がどの様に歪んだのでしょう。
＞存在しない時間の、何がどの様に歪んだのでしょう。
＞存在しない速度の、何がどの様に歪んだのでしょう。

歪んだのは空間だそうです。物質が存在しなくても空間は存在します。

間違い無いのは、空間が歪まず、光も曲がらないとすると見えないはずの星が見えた。と言うことです。

空間を均一で歪まないとして考えれば光が曲がったように見えると言うことです。
逆に、光は直進すると言うことにすれば、空間が歪んだと考えられます。

どっちでもいいので、ちゃんと法則を定式化して実験事実と照合して説明できればOKなのでは無いかと思います。

アインシュタインの予言と言うことであれば、重力で空間が歪むという考えの方ですかね。
考え方は色々あると思いますが、空間が歪むという理屈で説明できるならそれは一つの宇宙の表現方法と言うことになります。

補足

ご回答ありがとうございます。

＞これはちょっと論理が飛んで無いですかね。
そうかもしれませんね。

＞物質が存在しなくても空間は存在します。
そうですね。異論はありません。

＞どっちでもいいので、ちゃんと法則を定式化して実験事実と照合して説明できればOKなのでは無いかと思います。
そんな安易なことでいいんですか？
後付けでいいなら、何とでも理由づけできそうですが。
アインシュタインのように、予め「予言」くらいしてもらわないと説得力が無いような気がしますが…

以下の実験はどうでしょう。
空間が歪まず、光が曲がるとを証明する実験方法を考えてみました。

まず、金星が軌道計算で算出される位置と同一位置に観測される（空間の歪み０の）日を選び、
なおかつ、１９１９年と同様、できるだけ金星が太陽の近くに観測できる日を選びます。
この条件の下で以下のことを行います。

「金星に向けレーザー光を照射し反射光の戻り時間を計測」。

反射光の戻り時間が、金星と地球の直線距離の往復より時間がかかれば、光が曲がってることになります。

Oaktree-fieldの予言。
「金星と地球の直線距離の往復より時間がかかる」。

安易すぎますかね？とっくに誰かがやってそうですが。
例えば「アインシュタインのピンチ」の著者、Wallaceとか。

回答No.11

juyjuy

ご丁寧に補足を頂き恐縮です。

もちろん、引用された英語の内容は見ています。

これには、数学的な説明がありません。地球が太陽の周りを公転するぐらいは数学的に解けるのでしょうね？
翻訳を確認された回答者様が「哲学的な感じがする」とおっしゃっていますが、質問者様の議論もそうした哲学上の問題ならそんな考えもありかなとは思いますが・・。

色々反論がありますが、簡単に説明できないのは理解をしていないそうですから、やめておきます。

私も、昔は２進数だけでプログラムを作った事がありますが、その後いろんなプログラム言語が出てきて追随できなくなりました。

専門は電子工学の技術者（化合物半導体関係）だったものです。大学では物理学、数学、量子力学の初歩は学んでいます。今は退職して質問者様と同様物理学、とくに宇宙物理学の入門書プラス少々というレベルの本を読むのが好きです。

Wikiは必要に応じて使いますが、インターネットだけにしか出ていない「トンデモ説」はまあ考えかたの参考にするだけにしています。

補足

ご回答ありがとうございます。

＞色々反論がありますが、簡単に説明できないのは理解をしていないそうですから、やめておきます。
そう言わず、金星観測の「事実を前提」に、色々な見解を、回答して頂けませんか？
（ただし３分以内で説明できる事に限り）。

余談ですが、
＞その後いろんなプログラム言語が出てきて追随できなくなりました。
私はプログラムを始めて３０年経ちますが、どの言語も方言の域を出ていないと思いますよ。

１０年位前から、開発言語の主流が「手続き型」から「オブジェクト指向型」に変化してきましたが、オブジェクト指向を３分で簡潔に説明できる（理解している）人は数％です。

オブジェクト指向に最適化した設計をすると殆どの人が理解できず、結局、手続き型言語の「開発効率の悪さ」とオブジェクト指向の「リソースの大量消費」という「デメリットのハイブリッド」で開発が進められている状況です。
その結果が、新たな問題と不要な複雑性の導入を生み、それによる長時間労働が私のようなうつ病ＳＥの続出です。困ったものです。

それから、私は青色申告業者として複式簿記による財務会計を理解しているのですが、それはまるで「物理法則そっくり」なんですよ。とくに「資産」とか「運用」とかの概念です。
物理と会計の両方を、それなりに理解している人自体が少ないようで、両者がどの様に共通してるかが公になる機会がないようですがルールは同じなんですよ。

回答No.10

juyjuy

インターネットだけの知識では、こういう「物理学」上の問題は分かりません。
せめて。相対性理論の入門書か、宇宙物理学の入門書を読んでから質問しないと、質問者様のレベルがどの程度か分かりません。

引用されたコラムは科学者が書いたものではありません。

「空間」の定義をはっきりさせないといけないのですが、アインシュタインが考えた空間は何もない空間です。量子力学で考える空間は全く違うものですが、重力と光の相互作用を考えるだけなら（太陽の裏の星が見えるかどうかという程度であれば）アインシュタインの考えで十分です。

現実の測定結果（日食のときの太陽のそばの星の見え方、銀河団のずっと遠い裏にある銀河の映像など）は重力によって空間の局部的な曲率（ひずみというと誤解を与えるので）が変化する事を実証しています。つまり結果的には光が本来あるのと違った方向から来るのです。これを「光が重力場との相互作用で曲がった」とか「光が引力で曲がった」とか「空間がひずんだ」という言い方をするのです。最後の言い方は「ニュートンの絶対空間に対してひずんだ。」という意味です。

ニュートンの絶対空間には「しわ」は許されませんが、アインシュタインの空間は物質あるいはエネルギーがあると「しわ」が生じるものです。しわとかひずみとか曲がりという言葉は我々の感覚が知っている三次元空間出の言葉ですが、アインシュタインの空間は４次元のテンソルというもので示されています。本当は時間を含んだ４次元の世界の話です。

私はアインシュタインの宇宙論の元になるこれらの式はやがて（一部の回答者様は既にと言っておられますが・・？）修正される運命にあります。しかし、引用されたような簡単なものでなく、１０次元あるいは１１次元で既述せねばならぬものになります。

なお、一部の回答者様がダークエネルギー（アインシュタインの予言から出てくる）とダークマター（素粒子論でいま探している新物質・・重力飲みに反応する物質で・・光つまり電磁波で見えないがあることがわかっている物質）を混同してか宇宙には見えない物質がいっぱいありそれがエーテル的なものだと言う事を述べられていましたが、ダークマターは単に見えない物質で何処のどれくらいあるかはむしろはっきりしているものです。銀河や銀河団の周辺にかたまってあります。

ダークエネルギーはまだ正体は分かりませんが、宇宙を膨張させている力の元です。私はこちらの方がアインシュタインの理論をつぶす原因になって欲しいと思っています。

これが認められれば（実際に学者の間では定説になっていますが・・）宇宙の未来があまりにもさびしくなるからです。

補足

ご回答ありがとうございます。

特定の相対性理論の入門書は読んでいませんが「中学生にも分かる相対性理論」などを含むウェブページはそれなりの数は読んでいます。

＞引用されたコラムは科学者が書いたものではありません。
アインシュタインは保険の外交員か何かの時、論文を書いたそうですね。
私はSEとしてのシステム開発の経験を積んでいますが、SEと名乗る人でも「素人並み」の人も大勢いてピンからキリまで玉石混交です。（科学者ってなんでしょうね。）

本件質問の回答される方々も同様だと理解した上で質問しています。
教えられたことを鵜呑みにしているだけで、全く理解していない方もいらっしゃるようです。
そういった方には「言ってることに矛盾がありますよ」と言うために「わざとボケたふり」をして補足しています。

＞「空間」の定義をはっきりさせないといけないのですが…
私の言う「空間」とは「何もない」空間のことです。

＞アインシュタインの空間…時間を含んだ４次元の世界の話です。
コンピュータは２進数若しくは１６進数の世界です。個人的には１０進数より扱い易く感じます。
それとの関連は解りませんが、２次元や４次元のほうが理解しやすく感じます。
前の回答者の補足に書いたように、私にとって「３次元を２次元に置き直して考える」ほうが理解しづらいのです。
情報量が減るのだから理解しづらくなるのは当然だと思うのですが人によっては違うようですね。
実際、我々は０から数えて４番目の次元に暮らしていると理解しています。

＞引用されたような簡単なものでなく、１０次元あるいは１１次元で記述せねばならぬものになります
それは、ひも理論が正しと「仮定」する場合ですよね。
「簡潔＝正しい」場合のほうが多いのではないでしょうか。

一般的に、株式とか会計とかシステム開発等の様々な専門分野でも、物事を簡潔に説明しできない人は、たいてい本質を理解してないですね。
結局、そういう人たちは、新たな間違いを作り出し、問題を複雑化し、遠回りし、高いコストを生みます。
物事を３分で説明できなければ、その人は理解してないと考えて間違いないと思っています。

＞ダークマターは…どれくらいあるかはむしろはっきりしているものです。銀河や銀河団の周辺にかたまってあります。
un-attractionは質量に対し作用するので、銀河や銀河団の質量と同じだけ働きます。
完全にはっきりしています。全然ダークじゃないです。
※コラムの「力」の項の２番目を参照してください。

＞宇宙を膨張させている力の元です。
un-attractionを考えれば膨張は当然ではないですか？

＞私はこちらの方がアインシュタインの理論をつぶす原因になって欲しいと思っています。
un-attractionはreaction of attractionですから、理論を修正・補完するんじゃないですかね。
その力は１００億光年離れた物質間に相互作用を及ぼすわけですから、量子力学のテレポーテーション等の説明とも相性がいいのではないでしょうか？
相対性理論と量子力学を統一できればいいと思います。

＞これが認められれば宇宙の未来があまりにもさびしくなるからです
何が、さびしくなるのですか？
全てを理解したところで、人類は宇宙を変えることはできません。
物理法則という現実（神？真実）を受け入れるだけです。

私は空間は歪まないと理解しています。
光はその速度のため、引力をun-attractionとして作用を受け、重力の中心の反対側に曲げられ、四次方程式の解のようなM字の軌道で進むと理解しています。
また、観測されるさまざまな事象とも矛盾していないようです。

できましたら、回答者様の専門分野をお教え願えますか。

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引用のコラムのは以下のように書かれています。

この理論は２つの原理により成り立つ。
１つ目が、「一般相対性原理」。 質量、力、時間、速度は、全て相対的な事象である。
光も例外ではない。

２つ目が、「等価原理」。質量＝力＝時間＝速度である。

物質Ａ、Ｂを例に考えると以下の通りになる。
１．質量
物質Ａの、物質Ｂに対する相対速度が最小になる時、その質量は最小になる。
物質Ａの、物質Ｂに対する相対速度が最大になる時、その質量は最大になる。

省略

４．力
物質Ａの、物質Ｂに対する相対速度が最小になる時、その引力は最小になる。
物質Ａの、物質Ｂに対する相対速度が最大になる時、その離力は最大になる。
定義：離力とは引力の反作用

回答No.9

Tacosan

ちなみに「ベルの定理」を実験的に否定したアスペ (苦笑) はアインシュタインの相対性理論を否定してなかったりする.
そりゃそうだ, そもそも「ベルの定理」を否定してもアインシュタインの相対性理論を否定することにはならないんだもの.

お礼

フォローありがとうございます。

つまり、今のところはっきりしていないと理解すればよいのでしょうか？

回答No.8

bulldog-lima

空間が歪むなんてことは、観測したデータから勝手にそう思い込んでいるだけです。アインシュタインの相対論は矛盾があり、1964年にベルの定理が否定されることにより、一応崩壊してます。
ただし、光より速い物質があるらしいというだけで、定義づけられてはいません。あえて言うと、一般相対論はもう古く、かつ、一度は捨て去った「エーテル」を伴わずして空間を考えることはできないのです。
科学者は、相対論の呪縛から抜け出す努力をしなければならないのです。

補足

ご回答ありがとうございます。

「空間が歪む」とすると、ANo.6回答者tetsumyi様との質問、補足、お礼のような結論に達してしまいます。
金星観測の結果から、あり得ないと考えました。

回答者様は、天文学や物理学の専門知識をお持ちの方なのですか？
よろしければ、専門分野をお教え願います。

また、私は以下のURLの内容から、空間の歪みはあり得ないと確信し、本件質問を行いました。
http://okwave.jp/qa/q6116331.html

回答No.7

tekaratigadeta

＞空間が歪む原理はなんでしょう？
質問の意図を取り違えていたようです。
お詫び申し上げます。

空間が歪む原理については、いまだに議論がなされていて解明されておりません。
私たちの空間の歪みを直接”歪み”として観測する方法は残念ながら今のところありません。
しかし空間が歪んでいることを知ることはできます。
例えば二次元空間において、空間が球状に歪んでいるとします。
このとき球面上の任意の位置に３つの頂点を持ち、球面上において最短距離で頂点を結ばれた三角形を描きます。（つまりボールに二点間が最短距離の辺によって構成された三角形を描くイメージ）
私たちにとってこの三角形は直線で構成されているとは言えませんが、二次元空間の住人にとっては直線に見えています。
ここで『三角形の内角の和は180度である』という定理を使います。
するとこの三角形は実際には球面に描かれているため二次元空間の住人がいくらがんばっても内角の和は180度を超えてしまいます。
このような矛盾により二次元空間の住人は自分の空間が歪んでいることを知ることができます。
同じように私たちの空間においても数学的手段を用いることによりその空間が歪んでいるということだけは理解できるのです。

＞光は進行先の歪みを、どの様にして「予め知る」ことができるのでしょうか。
光の特性である屈折、反射などの説明をする際、『フェルマーの原理』を使うと矛盾なく説明できます。
しかしその一方で『フェルマーの原理』が正しいなら光は最短距離を予め知る必要があります。
これは『スネルの法則』によって説明可能となっています。
結論から申し上げますと、光はたまたま最短距離を通るのであって実際に知っているのではありません。
また、これらの法則は空間の歪みと光の進路に関して何の関連性もありません。
完全に私の勘違いでした。
申し訳ありません。

一部訂正します。
「光が歪みをよけて行く」という表現をしましたがこれは誤りです。
上記のように一見直線または曲線のように見えても別の次元では異なる場合があります。
つまり私たちとって曲がった光であっても、その光にとっては直進しているのです。
空間の歪みによって光自身が曲がることはありません。
直進した結果、私たちにとって曲がっているように見えるのです。
訂正終わり

誤解を招く表現をしたことお詫び申し上げます。

補足

ご回答ありがとうございます。

ANo.8の回答者様によると
＞空間が歪むなんてことは、…崩壊してます。
だそうです。

私にとって、３次元を２次元に置き直して考えるほうが難しいのですが…空間が歪むのではなく「光が曲がる」としても結論は同じではないでしょうか？
「光が曲がる」とすると、何らかの矛盾があるのですか？
「光が曲がる」のなら、進行先の重力の影響を予め知っている必要もありません。

「空間が歪む」とすると、ANo.6回答者tetsumyi様との質問、補足、お礼のような結論に達してしまいます。

それに、実際に光はレンズで簡単に曲げられます。
物理法則はその事象の、規模、位置、時間で変化しない不変的なものです。
地上で「光が曲がる」のに、宇宙に出たとたん「光は曲がらず、空間が歪む」というのは変です。
そもそも「空間が歪む」とする必要性があるのでしょうか？

「光が曲がる」とすれば全て丸く収まるのではないでしょうか？

回答No.6

tetsumyi

＞質量とエネルギーは等価なんですよね？
間違っています。変換可能と言うことです。
＞「空間が歪むと聞いたことがない」と回答されているように受け取れます
どうしてそうなるの？訳わかんないです。
＞太陽中心通る軸から少しずれた金星も見えるはずではないでしょうか？
見えるかどうかは光のレンズでも同様で位置と焦点距離に依存します。
Oaktree-fieldさんは光学レンズを通して物を見たことが無いのでしょうか？
レンズの位置と向こうの物体の距離を調整すると光が曲がるから見え方が変わるでしょう。
位置を調整すれば向こうの１つの物体がリングに見えるようにすることもできますよ。

これ以上、私が説明することはありません。
説明を理解したくないのであれば仕方ないですし、自分の考えに固執して人の考えを理解しようとしない人に説明したくはありません。

お礼

ご回答ありがとうございました。

＞レンズの位置と向こうの物体の距離を調整すると光が曲がるから見え方が変わるでしょう。
＞位置を調整すれば向こうの１つの物体がリングに見えるようにすることもできますよ。
ということは、太陽の真後ろの金星もレンズの位置等を調整すれば見えるということになってしまいますね。

別に理解したくないわけではありません。
ただ、物理法則はその事象の、規模、位置、時間で変化しない不変的なものだと理解しているだけです。
複数の説明者が、同一の事象を同じ法則で説明できなければ、一人以上若しくは全員が間違っていると思うだけです。何にも固執していません。

自分の考えに固執して人の考えを理解しようとしないのは回答者様ご自身ではないのでしょうか。

回答No.5

tetsumyi

まず宇宙空間に付いて考えてください。
良く出てきますが、全宇宙を考えるときに理解できるように１つ次元を下げて考えると宇宙は球の表面の様なものであるとします。
そうして宇宙がビッグバンによって球の半径はゼロから大きくなって現在の大きさになってると言うことができます。
この表面に宇宙の全ての物質は存在し物理現象は起きます。
では時間の経過とは何かと言うとこの球が大きくなること、その物が時間が経過することともいえます。
そうして重力があるということは時間遅れることから球の表面は凹みがあることになります。
物体が無いから時間が無い訳ではなく球の表面で表される宇宙全体はどこでも少々の時間の遅れた部分あるものの時間は存在することになります。
もし、時間が存在しないのであれば空間を越えてきた光は時間の情報を全く持っていなことになって星の観測はむちゃくちゃになります。
それでこの空間の時間が遅れることが空間の歪であり、Oaktree-fieldさんが掲載した図のような光の曲がりが発生することになります。

エネルギーが歪むとか、時間が歪むとか、速度が歪むとは聞いたことがありません。
仮に、「空間が歪む」とした場合、球体の太陽の周囲の歪みは均一で、どの方向の光も曲がるはずですが、以下の図の手書きの矢印の光は、結局、直進します。曲がりません。
これは間違いです。太陽中心通る軸から少しずれた光は曲がります。

補足

ご回答ありがとうございます。

＞空間を越えてきた光は時間の情報…
＞それでこの空間の時間が遅れることが空間の歪であり…
「重力があるということは時間遅れる」と説明されましたよね？
重力は質量がないと発生しませんよね？
質量とエネルギーは等価なんですよね？

＞エネルギーが歪むとか…は聞いたことがありません
とおっしゃいましたが、「空間が歪むと聞いたことがない」と回答されているように受け取れますが間違いないですね？

＞仮に、「空間が歪む」とした場合、球体の太陽の周囲の歪みは均一で、どの方向の光も曲がるはず…
＞これは間違いです。太陽中心通る軸から少しずれた光は曲がります。
それなら、太陽中心通る軸から少しずれた金星も見えるはずではないでしょうか？

回答No.4

tekaratigadeta

宇宙空間は真空で何もなくても（真空中には観測できない物質によって満たされているという説もあります）空間は存在します。
空間は質量によって歪みます。
惑星や恒星などの巨大な質量によって周囲の空間は歪みます。
この歪みを私たちは重力や引力として感じるのです。
図では私たちの空間を二次元空間として例えています。
この二次元空間に質量のあるものが存在すると図のように歪みます。
この歪みは二次元空間に対して三次元方向に歪んでいます。
三次元空間を理解できる私たちはこの歪みを認識できますが二次元空間の住人は高さの概念が無いため歪みを認識できません。
私たちの空間でも同じようなことが起こっており、私たちにとってなんでもない場所が光にとっては歪んでいます。
光は直線（直線とは二点間の最小距離です。）に沿って進みます。
つまり光はある目的地までの最短距離（厳密には所要時間が最短）の経路を通過しようとします。（行ったこともない場所までの最短距離をなぜ光が知っているのかは謎）
このとき進行上に歪みが存在すると距離がかさむためよけていきます。
これが光が曲がる原理です。
質問者さんが言う通り太陽に直進する光は遮られてしまいます。
しかし太陽の近くを通過し本来地球に到達するはずのない光が捻じ曲げられて到達したものが観測されるのです。

補足

ご回答ありがとうございます。

＞光は直線（直線とは二点間の最小距離です。）に沿って進みます。
＞このとき進行上に歪みが存在すると距離がかさむためよけていきます。
光は進行先の歪みを、どの様にして「予め知る」ことができるのでしょうか。
重力による空間の歪みの説明としての関係性が読み取れません。

＞これが光が曲がる原理です。
空間が歪む原理はなんでしょう？