なぜ質量の間に万有引力が働くのですか？

質問

根本的な質問ですみません。
質量とは、もともと慣性の大きさとして定義されたものだったと思います。つまり、「動かされにくいもの=加速するのに大きな力を必要とするもの」が質量の大きさとして定義されていると思うのです。
その「加速されにくい」ことと、万有引力、つまり、「二つの物質の間に力が働く」という考え方に、どういう根拠があって結びついたのでしょうか？
それとも、「実験結果がそうなっているから」という風に考えないと駄目なんでしょうか？

こんな質問は質問として成り立っていませんか？
そのへんの、自然科学の考え方と共に回答をいただければ幸いです。

回答No.11

miyakehidenori

あなたが疑問に思われていることは結局ニュートンの第２法則・第３法則と万有引力との関係だと思われます。
　第２法則は運動方程式としてｍａ＝Ｆと表されますよね？ｍが大きいほどＦは大きくなければなりません。これがおっしゃっている慣性です。
　Ｆが万有引力の場合も同じです。運動方程式はｍａ＝－ＧＭｍ／ｒ＾２と表されますよね？負号が付いているのは引力だからです。ｒ（距離）が一定ならばｍが大きいほどＦすなわちＭは大きくなければなりません。太陽が地球の周りを回らず地球が太陽の周りを回っているのは、太陽の方が地球よりもずっと質量（Ｍ）が大きいからです。あなたは砲丸投げの選手のようにグルグルと砲丸を回すことはできないはずです。あなた自身が砲丸に振り回されることでしょう。あなたの体重が軽くかつ砲丸投げの選手ほどの力がないためです。
　次に二つの物体の間に力が働くという問題ですがこれは第３法則によって説明できますが、では「なぜ引力なのか？」という問題になるとアインシュタインの一般相対性理論を持ち出して来なければなりません。これは非常に難しい問題です。質量が時間・空間を歪めているということです。太陽が歪めた時間・空間に従って地球が運動しているということです。つまりアインシュタインは「万有引力の正体」を突き止めた訳ですね？
　しかしあなたがもし高校生であればただ「万物は互いに引き合う」と素直に「実験結果」にのみ従うことが賢明だと僕は思います。時間・空間の歪みを表す数学は高校数学ではとても無理だからです。「万有引力の正体」をぜひとも突き止めたいと思われた場合に一般相対性理論の勉強を始めればよいと思います。

参考URL：

http://ameblo.jp/takanashi-tarou

回答No.10

Isaisa

「物体がそもそも「粒子」からして「スピン」しているからでしょう。」
スピンと方向との関係から割り出されたりして。
しかし、その間を「重力子」が関係してるというのは
「賛成」です。
スピンから時間。方向から空間が定義されてるのでは。
さて証明の方はいかに？

回答No.9

TCM

題意から少しはずれるかもしれませんが、重力質量と慣性質量の一致については、いずれ物理学者が明確な理論を提出してくれるような気がします。
19世紀、静電単位系と電磁単位系を結びつける定数である１／√(εμ)が奇妙なことにほぼ光速に等しいことがわかっていましたが、なぜ近い値（本当は等しい）なのか誰も答えることができなかたったそうです。
しかしマクスウエルは、彼の方程式により電磁波の速度が上記定数で表されることを導き出し、光は電磁波であると結論づけたという歴史があります。
というわけで、いずれはっきりするのではないかと私は楽観的です。

回答No.8

motokatu

No.4補足に対する回答です。
おっしゃる通りひとつの閉じた理論体系の中の原理は、別の理論では必ずしも原理ではありません。元来、そうして科学は発達してきました。
相対性理論の原理である「光速度不変の原理」正確にはいかなる系においても光の速度
（ベクトル）は一定であるということです。（一般相対性理論で非慣性系まで拡張）マクスウェルの電磁気学においてマクスウェルの方程式から導かれる光速度の一定というのは
同媒質中においてのものです。また、それらから導かれる波動方程式をみてもわかるようにやはり、光も古典的にみた波動と同じ性質をもったものとしか出てきません。したがって、残念ながら、観測者の系によらずに一定というのは導き出すことはできません。

回答No.7

ARC

聞いた話では、粒子と粒子の間で「重力子」なる粒子が飛び交っていて、「俺とお前は引きつけ合ってんねんぞ」っていう情報をやり取りしているんだとか…
ま、おそらくこの説は単なる仮説で、理論的証明や実験による確認はされていないんでしょうけど。

回答No.6

motokatu

確かに慣性質量と重力質量は概念的には別物です。説明のためこれら二つの質量の表現をそれぞれ、M(i),M(g)とします。これらをつかって運動方程式を立てると、
　　　　　　　　　　　　　　　　M(i)a = M(g)g
となります。ここで、aは加速度で、g は重力加速度です。
ここで、皆さんよくご存知のようにガリレイ以来、地上では空気抵抗などを除けばすべての物体は同一の加速度で落下することは知られています。（a = g）←実験的な事実　　そこで、上の式を変形して
　　　　　　　　　　　　　　　　a = (M(g)/M(i))g
先にのべた実験事実と比較すると二つの表現の比は１となります。単位をそろえてやれば同じにみてもかまわないということです。

回答No.5

motokatu

確かに慣性質量と重力質量は概念的には別物です。説明のためこれら二つの質量の表現をそれぞれ、M(i),M(g)とします。これらをつかって運動方程式を立てると、
　　　　　　　　　　　　　　　　M(i)a = M(g)g
となります。ここで、aは加速度で、g は重力加速度です。
ここで、皆さんよくご存知のようにガリレイ以来、地上では空気抵抗などを除けばすべての物体は同一の加速度で落下することは知られています。（a = g）←実験的な事実　　そこで、上の式を変形して
　　　　　　　　　　　　　　　　a = (M(g)/M(i))g
先にのべた実験事実と比較すると二つの表現の比は１となります。単位をそろえてやれば同じにみてもかまわないということです。

回答No.4

motokatu

掲題の「力がなぜ働くか？」ということですが残念ながら答えられません。自然科学の中にはたくさんの理論が存在します。それぞれの理論の中には必ず　”原理”があるわけです。原理というのはその閉じた理論のなかでは論理的に導き出せない、つまり、前提ということです。力学は力は働くというのは認めて理論は展開されます。皆さんよくご存知の相対性理論も同じように原理があります。相対性理論の原理のひとつは、”光速度不変”です。これはこの理論の中で前提であって、なぜ不変か？ということには触れていません。この原理から理論は展開されていくのです。

補足

回答ありがとうございます。
つまりこういうことでしょうか？
motokatu様が例としてあげてらっしゃる、相対性理論の原理の一つ「光速度不変」は、マクスウェルによって予言され、マイケルソン＝モーリー及び現在にいたるまでのその他の学者たちに実験によって確かめられています。実験結果が明確な以上は、常識的に考えてとても認められないようなこと（特殊相対性理論においては、長さが縮む寿命が延びる等）も、理論の論理的帰結として受け入れなければならない。その際になぜ光は光速か？といったことには答えられない。なぜなら、それは相対性理論中では導き出されないものだからである。
同じ事が、万有引力と慣性質量の等価にもいえるということですね？
なるほど･･･。おっしゃることは理解できますが、その理屈でいきますと、例えば相対性理論の原理の一つである、「光速不変の原理」はマクスウェルの方程式群から導き出されるので、なぜ観測者の系によらず高速度Cは一定なのかが説明つかないのでしょうか？つまりある理論にとって原理なものは、必ずしも他の理論でも原理（前提として）ではないということはいえないのでしょうか？
済みませんが、よろしく回答をお願いいたします。

回答No.3

noname#74

重力質量と慣性質量は現在までのところ実験的には厳密に等しいことが分かっているそうなので、問題は質量とは何か、ということに行き当たるのだと思います。質量というのが、エネルギーのように実体を持たない、ある性質を表現するパラメーターに過ぎないと考えることも可能でしょう。重力質量と慣性質量とは、その性質を違った側面から眺めたものだ、と。
一般向けの解説書としては、ブルーバックスの『質量の起源』というものがあります。理解できるかどうかは別として。はっきり言って、私にはよく分かりませんでした。もし読んで分かったら、教えてください。

補足

実験で厳密に等しいことが示されていれば、やはりそれを受け止めて、taky88様のように、質量とは何かを考えるのが自然科学の方法だと思います。（間違っていたら補足してください）実験で明確に判明しているということは、結局、「自然界では重力質量と慣性室量が等しい」ということは、「空間は３次元である」と同じレベルの命題になるのでしょう。前者は後者より感覚的に受け入れられにくいといったような結論になると思います。
ご指摘のブルーバックスの本を早速探して読んでみたいと思います。

回答No.2

kenji-osak

たいへん、興味深い質問だとおもいます。なぜそうなるのか私も知りたいです。
「慣性質量と重力質量とはおなじものである」ことについて根源的な説明を受けた
ことはありません。

補足

私と同じ疑問に興味を持つ人がいて心強いです。
疑問が解決できたなら、またここにアップします。