どのようにしてすべてが始まったのですか？
19 世紀末、物理学は危機に瀕していました。
相対性の特別理論
しかし、これらの著名な物理学者は誰もなんとか全体の話をまとめることができました。若きアルバート・アインシュタインには希望が残っていました。アインシュタインは当時、すでに新しい方法で問題に取り組み始めていました。 16 歳のとき、彼は光線を持って旅をするのはどんな感じだろうかと考えました。 1905 年までに、彼はフィッツジェラルドとローレンツの結果が、単純だが根本的な 1 つの仮定に基づいていることを示しました。物理法則と光の速度は、相対運動の状態に関係なく、均一に移動するすべての観察者にとって同じでなければなりません。
これが「機能」するには、より多くのスペースと時間が必要です独立できない。むしろ、光の速度がすべての観測者にとって一定に保たれるような方法で、それらは互いに「変換」されます。これが、フィッツジェラルドとローレンツが理論化したように、移動する物体が縮小して見える理由であり、ポアンカレが理論化したように、移動する観察者が異なる方法で時間を測定できる理由です。空間と時間は相対的なものです。つまり、つまり、それらはそれらを測定する観察者の動きに依存しており、光は両方よりも根本的なものです。これはアインシュタインの特殊相対性理論の基礎です（「特殊」とは等速運動の限界を指します）。
同等性の原則
専門理論を完成させた直後アインシュタインは「人生で最も幸せな考え」を持っていました。それは 1907 年、ベルンの特許庁の椅子に座り、建物の側面から落ちながらボールを落とそうとするのはどんな感じだろうかと考えていたときに起こりました。アインシュタインは、人がボールを持って下向きに加速しても、それに対する重力の影響を検出できないことに気づきました。観察者は「変身」することができます。どのような物体が落ちても、この加速された基準フレーム内に移動するだけで (少なくともそのすぐ近くでは) 重力を認識できます。重力は（局所的には）加速度と同等です。これが等価性の原理です。
彼が本当にどれほど素晴らしいかを理解するために等価原理、重力が他の力と同じように作用した場合に何が起こるかを想像してください。たとえば、重力が電気のようなものである場合、より多くの電荷を持つボールはより強く地球に引き付けられるため、より少ない電荷を持つボールよりも速く落下します。すべてのオブジェクトに対して同じ加速参照フレームに移動して、そのような効果を変換する方法はありません。しかし、重力は「物質に対して盲目」であり、すべての物体に平等に影響を与えます。この事実から、アインシュタインは、重力は物質の性質に依存しない(たとえば、電気が電荷に依存するように)という印象的な結論を下しました。むしろ、重力現象は時空の何らかの性質に由来するに違いありません。
湾曲した時空としての重力
アインシュタインは最終的に性質を決定した時空は重力とその曲率の原因となります。アインシュタインの宇宙の空間と時間は（ニュートンが暗黙のうちに想定していたように）もはや平らではなく、物質によって引っ張られ、引き伸ばされ、歪む可能性があります。重力は時空が最も曲がっているところで最も強く感じられ、時空が平らなところでは重力が消えます。これはアインシュタインの一般相対性理論の本質であり、多くの場合、「物質は時空に曲がり方を告げ、湾曲した時空は物質に動き方を告げる」という言葉で表現されます。
このアイデアを説明する標準的な方法は-伸ばされたゴムシート（時空を表す）にボウリングボール（たとえば、太陽などの巨大な物体を表す）を置きます。ゴムシートにボールを置くと、ボウリングボールに向かって転がり、ボウリングボールの周りの「軌道」に入れることもできます。これは、小さい方の質量が大きい方の質量から発せられる力によって「引き付けられる」ためではなく、大きい方の質量の存在によって変形した表面に沿って移動するためです。
同様に、アインシュタインの理論における重力時空間を伝播する力としてではなく、時空間自体の特性として発生します。アインシュタインによれば、地球上のあなたの体重は、あなたの体が湾曲した時空を移動するという事実によるものです。
一般相対性理論
一般相対性理論（一般相対性理論;それ。allgemeineRelativitätstheorie）は、重力の幾何学的理論であり、重力と慣性力が同じ性質であると仮定する特殊相対性理論（SRT）を発展させます。
したがって、その重力効果が続きます時空に位置する物体と場の力の相互作用によってではなく、特に質量エネルギーの存在に関連する時空自体の変形によって引き起こされます。
一般相対性理論は、アインシュタインの方程式を使用して時空の曲率をその中に存在する物質と関連付けることにより、他の重力の計量理論とは異なります。
一般相対性理論は物理ベースです等価原理に基づいていますが、この理論には2番目のより数学的な基礎があります。一般共変性原理として知られているこれは、万有引力の法則が、それが記述されている座標に関係なく、加速している観測者も含めて、すべての観測者に対して同じであるという要件です。アインシュタインが彼の新しい理論を「特殊相対性理論」ではなく「一般的」理論と呼んだのはこのためであり、彼は均一に動く観測者に対する以前から存在していた制限を取り除いた。これは、アインシュタインがこれまで直面した中で最も困難な問題であることが判明しました。後に彼が言ったように、座標なしで物理法則を表現することは、「言葉なしで考えを説明する」ようなものです。物理学者は、表面の抽象的な数学とテンソルの観点からのそれらの記述を習得する必要がありました。
科学者たちは何を知りましたか？
ブラックホールの重力は非常に強いので、空間を曲げます。これは一種の虫眼鏡として機能するため、この宇宙天体の影が実際よりも大きく見えるのです。イベント ホライズン テレスコープ (EHT) の科学者は、この視覚的な歪みを研究し、M87 ブラック ホールの影の実際のサイズがアインシュタインの一般相対性理論の予測と一致することを発見しました。
EHT学術会議委員・浅田圭一氏の発言中央研究院天文学・天体物理研究所のブラックホールの電波観測の専門家である彼らの方法は、「超大質量ブラックホールを使用して一般相対性理論をテストする全く新しい方法」です。
科学者はどのようにして結論に達しましたか？
2019年4月に最初の本が出版されたときブラック ホールの画像として、これはアルバート アインシュタインの重力理論、つまり一般相対性理論の強力な裏付けとなりました。この理論は、物質が時空をどのように歪めるかを説明するだけでなく、ブラック ホールのサイズを含め、ブラック ホールの存在そのものを予測します。いくつかの密なオブジェクトの周りを回転する明るい円盤素材上にブラック ホールによって投影される影。
テストを実施するために、チームは最初に使用した昨年EHTによって撮影された、約5,500万光年の距離にある、隣接する銀河M87の中心にある超大質量ブラックホールのこれまでに撮影された画像。
超巨大な黒の象徴的なイメージホールは、影がそのサイズに関する一般相対性理論の予測と完全に一致することを示しました。言い換えれば、やはりアインシュタインは正しかったのです。
Event Horizon Telescope Collaborationによって報告されたこの結果は、1つの質問に答えました：M87のブラックホールのサイズは一般相対性理論と一致しますか？
しかし、「反対の答えを出すのは非常に難しい。問題は、一般相対性理論をどの程度調整しても、[ブラックホール]の測定値と一致させることができるかということです」と、アリゾナ大学ツーソン校のEHTチームの科学者であるディミトリオスプサルティスは述べています。他の重力理論が宇宙を説明する可能性はあるが、一般相対性理論に偽装している可能性があるため、この質問は重要です。
アインシュタインの間違いの確率は500倍削減されました
10月1日にPhysicalReview Lettersで発表された研究では、Psaltisらは、ブラックホールM87の影を使用して、これらの代替理論に反論するための重要な一歩を踏み出しました。
チームは多くの非常に広範な分析を実施しましたブラックホールの影のサイズを決定する重力理論のユニークな特性を定義するための一般相対性理論の修正。科学者たちは、太陽系での以前のすべてのテストに合格したいくつかの代替案に焦点を合わせてきました。
「私たちが開発したセンサーを使用して、M87で測定されたブラックホールの影のサイズは、アインシュタインの一般相対性理論を修正するための小刻みに動く余地を、太陽系での以前のテストと比較してほぼ500倍狭めることを示しました。 EHTコラボレーション。 「一般相対性理論を修正する多くの方法は、この新しくてより厳しいブラックホールシャドウテストで失敗します。」
M87 の影のサイズの測定に対して修正された重力理論の予測をテストするために設計された新しいセンサーの視覚化。
クレジット: D. Psaltis、アリゾナ大学。 EHT
結果に自信を持つために、科学者たちはブラックホールのサイズを使用して、一般相対性理論の「二次」テストとして知られるものを実行しました。同じくEHTのメンバーであるプリンストン高等研究所のリア・メデイロス氏は、重力場が弱すぎるため、これは「太陽系では不可能」だと説明する。
アインシュタインの理論テスト
一般的に、現在、物理学者は一般的な理論を提示していますニュートンの重力理論に対する一連の修正または追加としての相対性理論。一般相対性理論は、これらの上部構造がどうあるべきかを予測します。宇宙で重力がどのように機能するかの測定値がこれらの予測から逸脱している場合、物理学者は一般相対性理論がすべてではないことを知っています。テストに追加される追加または要素が多いほど、結果の信頼性が高まります。ブラックホールの新しいテストとチェックは、間もなく登場します。
ブラックホールM87のシミュレーションブラックホールの周りを渦巻くプラズマの動き。青で見える明るく薄いリングは、ブラックホールの影と呼ばれるものの端です。写真：L。メデイロス; K.チャン; D. Psaltis; F.オーセル;アリゾナ; IAS。
しかし、一般相対性理論が確認された場合、なぜ一部の物理学者は結果に不満を持っているのでしょうか？重要なのは、一般相対性理論は量子力学と矛盾するということです。
相対性理論と量子力学：宇宙の戦い
物理学者は、2つの非常に異なる理論を調和させるために何十年も費やしてきました。そして、一般相対性理論ですべてが明確であるならば、なぜ量子力学はアインシュタインの法則に従うことを拒否するのでしょうか？
物理学者は現在、2 つの別々のシステムを持っています。自然がどのように機能するかを説明する一連の規則。一般相対性理論は、重力と重力によって決定されるすべてのもの、つまり惑星の回転、銀河の衝突、膨張する宇宙全体の力学を完全に説明する理論です。これは「大きなものの科学」です。
そして、量子力学もあります。他の 3 つの力 - 電磁気力と 2 つの核力。量子理論は、ウラン原子が崩壊するとき、または個々の光の粒子が太陽電池に入射するときに何が起こるかを説明するのに非常に熟達しています。これは「小さなことの科学」です。
量子力学-理論のセクション物理学。アクションの大きさがプランク定数に匹敵する物理現象を説明します。量子力学の予測は、古典力学の予測とは大幅に異なる可能性があります。
真に相容れない現実の記述の衝突
今問題に：相対性理論と量子力学は根本的に異なる理論であり、定式化が異なります。これは単なる科学用語の問題ではありません。それは現実の真に相容れない記述の衝突です。
物理学の2つの半分の間の対立は、1世紀以上にわたって醸造されてきました。1905年のアインシュタインのいくつかの作品によって引き起こされました。1つは相対性理論を説明し、もう1つは量子を説明しています。
本質的には次のような分け方を考えることができます。相対性理論と量子システムは「滑らか」で「短い」と考えられています。一般相対性理論では、イベントは連続的かつ決定的です。これは、各原因が特定の局所的な効果に対応することを意味します。
量子力学において、以下によって引き起こされる出来事素粒子の相互作用は飛躍的に (そうです、量子の飛躍的に) 起こり、明確な結果ではなく確率的な結果が得られます。量子規則により、古典物理学では禁止されていた接続が可能になります。これは広く議論された実験で実証されました。その後、科学者たちは、2 つの粒子 (この場合は電子) が、たとえ何マイルも離れていても、瞬時に相互に影響を与えることができることを実証しました。滑らかな相対論法則を簡潔な量子スタイルで解釈しようとしたり、その逆を試みたりすると、物事は計画通りに進みません。
意味のない答え
相対性理論は、あなたはそれを量子サイズに縮小しようとしていますが、最終的には重力の説明で無限の値に落ちます。同様に、量子力学を宇宙の比率に膨らませると、深刻な問題にぶつかります。場の量子論は、一見何もない空間でも一定量のエネルギーを運び、場の量子論が増えるにつれてエネルギー量が増えます。アインシュタインによれば、エネルギーと質量は同等であるため（このメッセージはE = mc 2です）、エネルギーの蓄積は質量の蓄積とまったく同じです。場の量子論のエネルギー量が非常に大きくなるのに十分な大きさであるため、宇宙がそれ自体に折りたたまれるブラックホールが作成されます。ただし、ご覧のとおり、これは発生しません。
簡単に言えば、場の量子論では、力は明確に定義された量子の交換を通じて局所的に作用するため、量子力学は一般相対性理論と互換性がありません。
一番下の行は何ですか？
結果として、新しい結果は少しがっかりします。アインシュタインの理論に亀裂を見つけることを望んでいる物理学者。一般相対性理論からの逸脱を見つけることは、新しい物理学への道を示す可能性があります。あるいは、一般相対性理論、非常に大きな物理学、および量子力学、つまり亜原子粒子や原子などの非常に小さな物体の物理学を説明する主要な理論を組み合わせるのに役立つ可能性があります。一般相対性理論がまだ従うことを拒否しているという事実は、「十分に年をとっていて、私たちの生涯の間に答えを得ることを望んでいる私たちの人々を心配している」とPsaltisは言います。
重力の理論をテストすることは絶え間ない調査です：一般相対性理論の予測は、天体物理学者が一般相対性理論の考えられる違いや修正について心配することのない、さまざまな天体物理学の対象に対して十分に良いですか？
重力場のさまざまな強さのイラスト、宇宙論的テスト、太陽系テスト、ブラックホールで探索されました。画像クレジット：D。Psaltis、アリゾナ大学; NASA / WMAP; ESA /カッシーニ; EHT
ただし、EHTを使用した将来の観測では、さらに多くのことが行われます。一般相対性理論の正確なテスト、特に天の川の中心にあるブラックホールであるSgr A *（Sagittarius A *）の未発表の画像。他の超大質量ブラックホールよりもはるかに正確なSgrA *質量の測定により、この画像は一般相対性理論を変える可能性があります。
いて座A *。この画像は、NASAのX線天文台であるチャンドラによって撮影されました。光エコーは楕円でマークされています。フル画像-12.5分角（出典）
「ブラックホールの画像は完全に明らかにするアインシュタインの一般相対性理論をテストするための新しい角度です」とマックス・プランク電波天文学研究所所長であり、EHT共同研究のメンバーであるマイケル・クレイマー氏は説明する。
「重力波の観測とともに、これはブラックホール天体物理学の新時代の始まりを示しています」とPsaltisは確信しています。
「私たち自身の銀河の中心にあるブラックホールの画像を取得すると、一般相対性理論からの逸脱をさらに制限することができます」とオゼルは結論付けています。
アインシュタインはその時でしょうか？そして、量子力学の運命は何ですか？
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