どうしても「重力が力でない」を認められない人のために  

(2012年4月29日)


   ニュートン力学では力の定義と重力の関係は次のとおりであり、重力は力であると考えられてきた。 (「重力」はGravity の訳語である。)

 1.力の定義は、質量1[Kg]の物質に1[m/s^2]の加速度を与える作用を力の大きさ1[N]とするとしている。

 2.力の定義はニュートンの運動方程式F=mαに由来する。(質量mの物体に力Fが働くとその物体は加速度αの運動をし、F=mαの関係がある。)

 3.地上で手から放した金属球は真っ直ぐ地面に向かって落ちる。地表では1G=9.8m/s^2)の重力加速度が働くので、この金属球の質量をm=Kg)とすると、この金属球には重力と言う力W=mg=9.8N)が働いていると考えられる。

 4.重力はあらゆる物体にその質量に比例した大きさの力として作用する。つまり重力は力である。

 ニュートンがプリンキピアを発表して以来200年以上も、重力が力であることは誰も疑わなかった。出てくる概念も質量、加速度、それに力の三つしかない。確かに、どこにも欠陥はないように見える。少なくとも、Wmgは数式として正しい。

 ところが、アインシュタインは特殊相対性理論を発表した2年後の1907年に、次のことに気が付いた。(彼自身の言葉によれば生涯最大のアイデアとのことである。)

 「自由落下するエレベータの中では重力が消えている。」

 エレベータに固定した座標系ではエレベータの加速度はゼロであるから、ゼロの加速度に質量を乗じてもゼロである。このことから、自由落下するエレベータはすべての星から十分離れた宇宙空間に置かれた状態と絶対に区別できないと考えたのである。

 二つの空間が区別できないということは、その二つの空間ではすべて同じ物理法則が成立つということである。

 自由落下する物体が無重力状態になるのは重力と慣性力が分子レベルで釣り合うからという「解釈」はできるであろう。(ダランベールの原理はこの解釈に他ならない。)しかし、力の釣り合い状態にあると言ってみても、物理的に実証できないことである。また、実際に無重力の空間にある物体とは少しも区別できるものはないから、重力がゼロであることと同じなのである。

 次に、自由落下で重力が消えるということと、重力が力でないこと、はどのように結びつくかを考える。

 重力に従って1G(=9.8m/s^2)の加速度で自由落下しているエレベータでは重力が消えていた。同じエレベータをすべての星から十分離れた宇宙空間でロケットにより1Gの加速度を与えたとする。すると、このエレベータの中では1Gの加速度が加わって床に(あるいは天井に)抑えつけられる。外から見るとロケットに押されたエレベータは1Gの加速度で運動している。エレベータに固定した座標系では加速度ゼロであるが内部の人はロケットのエンジンが作動していると判る。

 つまり、重力以外の力(外力)が加わると、必ず物体に何らかの変形が起こり、力が加わったことが判る。そして、座標系の取り方に寄らず力の負荷があることは必ず検知できる。外力は一般的に慣性力と釣り合っている。力の存在はニュートン力学での定義に反し、加速度と直接には関係がないということである。外力と外力が釣り合っている物体は加速度がゼロであるがその物体にはひずみ(変形)が生じている。

  

 どうしても重力は力とするならば、外部からの運動の観察によるしか検知できない力であり、それは見かけの力として区別する必要がある。見かけの力は、座標系の取り方に依存し、現れたり消えたりする力である。実際の力(外力)は必ず物体の変形を伴う。従って、座標系の取り方によって現れたり、消えたりしない。

  

 以上の考察から、重力は定義による見かけの力であるとしても、実際の力ではないと結論できる。

 重力は力でないならば何であろうか。重力は全ての物体に作用して同じ加速度を与える大自然の性質である。アインシュタインは一般相対性理論の帰結としてアインシュタインの方程式を1916年に発表した。この式は宇宙空間の質量分布と宇宙空間の曲率(ひずみ)の関係式だそうである。大きな質量が付近の空間にひずみをもたらすという。空間のひずみはすべての物体に力として作用するのでなく、加速度を与えるということなのである。   

 自由落下は慣性運動であって、慣性運動に逆らうと実際の力(慣性力)が発生する。外力は慣性力と釣り合い、物体内部に応力とひずみを発生させる。   

 (参考)インターネットで「重力は力でない」Gravity is not a force. という一文で検索をかけると既にいくつも出てくる。   

     http://unveiledsecretsandmessagesoflight.blogspot.jp/2009/08/gravity-is-not-force.html

     http://www.answersingenesis.org/articles/cm/v22/n3/gravity

     http://www.belligerati.net/archives/2002/11/is_gravity_a_fo.html

     http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/27102/

     http://www.sluniverse.com/php/vb/science-tech/46676-gravity-not-fundamental-force.html

     http://www.einsteins-theory-of-relativity-4engineers.com/what-is-gravity.html

     http://arstechnica.com/science/news/2011/04/is-gravity-a-result-of-thermodynamics.ars


(了)


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