なぜ物質の存在で時空がゆがむのか？

Question

「一般相対性理論では時空は物質の存在によって歪み、この歪みが重力の正体としている。」とwikiにあります。なぜ物質（質量？）で時空が歪み、それが重力になるのでしょうか？ここでいう歪みとはどんなものですか？わかりやすく教えて頂けると助かります！

Tann3 · Accepted Answer

物理の理論は、何を前提条件（原理）にして組み立てるかによって、「不変」のものと「可変」のものが決まります。

特殊相対論では、「光は空間の２点間の最短距離を進む」「光の速度は座標系によらず一定（光速度不変）」を前提条件としています。

さらに一般相対論では、「重力」と「加速度運動」は区別がつかない、という「等価原理」を前提条件にするので、下記のサイトの「等価原理」にあるように、光が重力で曲がることになります。
　　　↓
http://www.netlaputa.ne.jp/~hijk/memo/relativity.html

「光が曲がる」のは、「光は空間の２点間の最短距離を進む」という前提に反することになるので、前提を成立させるために「空間が曲がる」（光自身はこの曲がった空間の最短距離を進む）ということにしたわけです。
　あくまで理論上のことなので、実世界での経験上これを実感することは不可能でしょう。

よく、２次元の平面を考え、重いものが乗るとその部分が下にさがって平面が歪む、ということで「空間の歪み」を説明する方もいますが、それは我々が「３次元」を知っているからで、本当に２次元だけの世界に生きていたら、平面の歪みは理解不能でしょう。同様に、３次元の世界でモノを見ている我々が、「３次元空間の歪み」と言われても、これは理解不可能だと思います。

tetsumyi · Answer

重力による時空の歪とは時間に関して起きる現象です。
宇宙空間はどこでも大体同じ速さで時間が進むのですが、重力場では時間が遅れます。
この時間の遅れこそが、重力による時空の歪みです。
宇宙空間は見えない力で膨張し時間が進んでいるようです。
物質の存在と重力場はこの空間を引っ張りエネルギーを吸収しようとしているかのようです。
ではなぜ物質があると重力場が存在するのかと聞かれると、質量とはそういう物だとしか言いようがありません。

lazydog1 · Answer

磁石（磁場）や電荷（電場）も、似たようなものなんですね。たとえば、二つの電荷があれば、電荷同士には力が働きます。電荷同士が直接力を及ぼし合うというのは、遠隔作用説と呼ばれる考え方です。

これに対し、電荷の周りには電気的な歪みが生じると考えるのが、近接作用説と呼ばれます。電気的な歪みは、等電位線を描いてみると、そういう坂道のようなものと考えてもいいです。電荷は自分の周りに坂道を作るから、そこに他の電荷を置くと、転がるように近づいたり遠ざかったりするわけです。磁力も同様です。

電磁気学をそういう近接作用説で書き直したのが、マクスウェル方程式に結実し、その後の電磁気学は飛躍的な発展を遂げます。

一般相対論では、以前のニュートンの重力式が二つの質量の間に力が働くという遠隔作用説のものだったのを、近接作用説に書き直したわけです。何とか書き直してみたら、10元連立偏微分方程式という、非常に解きにくいものになってはしまいましたが、宇宙論などで大活躍することになりました。

それが、一つの質量のある物体の周りの重力場なんですが、これも周りに坂道を作っているようなものです。別の質量のある物体が近くにくると、転げ落ちるように近づこうとします。それを「空間の歪み」と表現しています。

これについては、たとえば光が通る軌跡の曲がり具合で歪み具合が分かります。重力レンズなどとして知られている現象ですね。あるいは原理的には、平面上に三角形を描いてみて、その内角の和が180度からどのくらい外れるかということでも確かめることができます（実際には精度の問題があって難しい）。

chie65535 · Answer

＞なぜ物質（質量？）で時空が歪み、それが重力になるのでしょうか？

「理論」ですから、誰も「歪んだのを確かめてない」です。

ただ単に「時空が歪んだ事にしておけば、辻褄が合う」ってだけ。

「歪みを重力としておきましょう」と言う事にしておけば、辻褄が合うってだけで、誰も「歪みが重力になる」のを確かめてはいません。

単に「そう考えると、観測した結果と、理論の両方で、辻褄があう」ってだけ。

＞ここでいう歪みとはどんなものですか？

誰も「歪みそのものを観測した者が居ない」ので、それがどんな物なのか説明出来る人間は居ない。

「重力レンズ」とか、光が屈折して、ブラックホールの向こう側（裏側）にある物が観測できたりするけど、それは「光の屈折を観測しているだけ」であって、歪みそのものを観測している訳じゃない。

「歪みがあると考えると辻褄が合います」と説明出来る人は居るけど、歪みをのものを説明出来る人は居ない。「誰も見た事がない」のだから。

SPROCKETER · Answer

物質があるから時空が歪むのではなく、ヒッグス粒子が重力を生み出すから時空が歪むのでしょうが、ヒッグス粒子が存在しなければ、物質は超光速で宇宙を進む事が出来るわけですし、時空は歪まないわけで、全てがタキオンの世界と同じになるわけです。

ヒッグス粒子：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%92%E3%83%83%E3%82%B0%E3%82%B9%E7%B2%92%E5%AD%90

世の中は全てが完全では無いわけで、コップの水に砂糖を加えて掻き混ぜても不均一にしか混ざらないように、宇宙に存在する全ての素粒子にヒッグス粒子が対応して質量があるわけではないようです。数十％が質量を持ち、質量が無い素粒子が数十％あるという具合に、不均一な状態が真実でしょう。

暗黒物質と考えられている超対称性粒子ニュートラリーノが発見された事ですし、暗黒物質や暗黒エネルギーが宇宙で大きな比率を占めている以上、質量が無い素粒子も数多く存在しているのかもしれません。

ニュートラリーノ：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8B%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%8E

物質が存在しない真空域と考えている場所が、実際には質量が無い物質で占められている可能性もあります。正確にはヒッグス場があるから時空が歪むが正しいのでしょう。

なぜ物質の存在で時空がゆがむのか？

物理の理論は、何を前提条件（原理）にして組み立てるかによって、「不変」のものと「可変」のものが決まります。

重力による時空の歪とは時間に関して起きる現象です。

磁石（磁場）や電荷（電場）も、似たようなものなんですね。

＞なぜ物質（質量？）で時空が歪み、それが重力になるのでしょうか？

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