光と重力 ニュートンとアインシュタインが考えたこと

光と重力 ニュートンとアインシュタインが考えたこと

著者 小山慶太(こやま・けいた)

一般相対性理論とは何か

まえがき

 「時代、ジャンルにかかわらず、これぞ天才と思われる人物をあげよ」と問われたとき、多くの人の頭に浮かぶのは、ニュートンとアインシュタインではないだろうか。この二人、物理学という特定の領域を超え、人類史に輝く知の巨人の双璧をなす存在といえる。そして、双璧をなす二人にはいくつもの共通点が見られるのである。
 まず、気がつくのは、いずれも若くして、孤独な研究環境の中で突然、その天才的な独創性を一気に噴出させたことである。ニュートンが重力の法則、微積分法、二項定理の着想を抱き、光のスペクトル実験をすべて一人で行ったのは、二〇代前半のわずか一〜二年の間であった。アインシュタインも特殊相対性理論、光量子仮説、ブラウン運動の理論の論文を二〇代半ばの一年で矢継ぎ早に発表している。
 また、これだけの独創性を発揮する背景には、深い思索を長い期間、持続させ、問題を決して投げ出さない、強い意志の力があったことは間違いない。リンゴが落ちるのを見るまでに、ニュートンが重ねた研鑽と努力がどれほどあったかと思う。同じように、アインシュタインは一〇代で閃いた光のパラドックスから一〇年後、特殊相対性理論を生み出し、二〇代後半で浮かんだ自由落下のパラドックスから八年後、一般相対性理論を構築するわけである。二人の天才には、「Never Give Up」の精神が息衝いていた。
 さらに、彼らが関心を抱いたテーマについても、顕著な共通性が認められる。それは光と重力である。
 ニュートンには重力の理論を盛り込んだ『プリンキピア』という大著があるが、もう一冊『光学』の存在も忘れてはならない。ニュートンの力学が近代物理学の礎となったことは言を俟たないが、ニュートンの光学研究も科学革命の一翼を担う重要性をもっていた。古代・中世を通じて受け入れられていた光の本性に関する固定観念を、実験によって根底から覆したのは、ニュートンであったのだから。
 一方アインシュタインは、さきほどあげた光量子仮説や、レーザーの原理となった誘導放射の理論などを通して光と深くかかわったことはよく知られているが、それだけではない。光速度不変の原理を基盤としていることからもわかるように、特殊相対性理論こそ光の物理学そのものといえる。そして一般相対性理論は、重力場の扱いにニュートン力学とは異なる新しい視点を導入したものであると同時に、その具体性は光の屈曲という現象で示されている。
 ニュートンとアインシュタインの時代の差は約二世紀半になるが、これだけの時間を超越して、二人の天才が光と重力に向き合い続けたという事実が示しているのは、このテーマこそが物理学の枠組みを象っているということに他ならない。換言すれば、光と重力をニュートンとアインシュタインがどのように捉えていたかをたどれば、物理学という学問の特徴が炙り出せるといえる。本書のタイトルは、そうした思いを込めてつけたものである。
 ところで、もうひとつ、ニュートンとアインシュタインには見落としてはならない共通点がある。自然を統一して眺め、理解しようとする姿勢である。凡人は夜空に浮かぶ月とリンゴの落下を、何の脈絡もない別々の現象だと思う。ところが、ニュートンにはこれが同じに見えたのである。凡人は落下というと、地面へ向けての墜落、衝突をイメージするが、天才は違った。月が地球の周りを、惑星が太陽の周りを回るのも、永遠に落下を続けているからであったのである。そうでなければ、月も惑星も慣性の法則に従い、軌道の接線方向に沿って宇宙の彼方へと飛び去ってしまう。
 月は地球の、惑星は太陽の重力に引かれ、それぞれの軌道につなぎとめられながら、永遠の落下という回転を繰り返しているのであり、それは地上における物体の落下と本質的に同じ現象であった。有名なエピソードに伝えられる光景を目にしたとき、ニュートンの目には天体の運動もリンゴが落ちるのも同じに見えたのである。
 では、アインシュタインの場合はどうかというと、どのような速度で運動する観測者にも光の速度は常に同じに見えたし、重力場に身を置いたときと加速度運動をする状況がまったく同じに見えたというのが相対性理論の根幹である。ニュートンと同様、アインシュタインも独立と思われていた対象を統一して記述できるという信念を持ちつづけたのである。こうした指向性はいまもなお、物理学のガイドラインとして受け継がれている。というわけで、二人の天才の共通点に光を当てながら、近代物理学の誕生、発展と、そこから脱皮して生まれた現代物理学の今日に至るまでの歩みを、光と重力をキーワードにしてたどってみたいと考えた次第である。
 アインシュタインが一般相対性理論を発表してから、ちょうど一〇〇周年に当たる年に上梓される本書が、これからの物理学一〇〇年を展望する、ひとつのきっかけになれば幸いである。

著者 小山慶太(こやま・けいた)

一九四八年生まれ。早稲田大学理工学部卒業。理学博士。早稲田大学社会科学総合学術院教授(科学史)。著書に『入門 現代物理学』『科学史年表』(共に、中公新書)、『若き物理学徒たちのケンブリッジ』(新潮文庫)、『ノーベル賞でたどる物理の歴史』(丸善出版)、『マンガ おはなし物理学史』(原作、ブルーバックス)などがある。

[B1930]

光と重力 ニュートンとアインシュタインが考えたこと 一般相対性理論とは何か

著:小山 慶太

孤独を愛し研究に没頭することを好んだニュートンとアインシュタイン。二人の天才をとらえたテーマ「光」と「重力」を通して、彼らの思考に迫ります。

定価 : 本体1,080円 (税別)

ISBN : 978-4-06-257930-8

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