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重力じゅうりょくによる時間じかんおく

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一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろん
アインシュタイン方程式ほうていしき
入門にゅうもん
数学すうがくてき定式ていしき
関連かんれん書籍しょせき

重力じゅうりょくによる時間じかんおく(じゅうりょくによるじかんのおくれ、英語えいご:Gravitational time dilation)とは時間じかんおく一種いっしゅで、重力じゅうりょく質量しつりょうからそれぞれことなる距離きょりにある観測かんそくしゃ英語えいごばんらにより観測かんそくされたふたつの事象じしょう英語えいごばんあいだでの、実際じっさい経過けいか時間じかんちがいである。重力じゅうりょくポテンシャルひくければひくいほど(時計とけい重力じゅうりょくげんちかければちかいほど)時間じかん経過けいかおそくなり、重力じゅうりょくポテンシャルがたかくなればなるほど(時計とけい重力じゅうりょくげんからとおざかればとおざかるほど)時間じかん経過けいかはやくなる。アルベルト・アインシュタイン最初さいしょにこの効果こうか相対性理論そうたいせいりろんもとづいて予言よげんし、その一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろん検証けんしょう英語えいごばんにおいてたしかめられた[1]

これはそれぞれことなる高度こうど(すなわちことなる重力じゅうりょくポテンシャル)にある原子げんし時計とけいが、しばらくするとそれぞれことなる時間じかんすことによって立証りっしょうされている。このような実験じっけん地球ちきゅうじょうおこなかぎりにおいてはその効果こうかわずかなもので、ナノびょう単位たんいでのにとどまる。しかしすうじゅうおくねんという地球ちきゅう年齢ねんれいいにするなら、地球ちきゅうかく地表ちひょうより2.5ねんわかい、ということができる[2]。よりおおきな効果こうかしめすには、地球ちきゅうからおおきくはなれるか、よりつよ重力じゅうりょくげん必要ひつようとする。

重力じゅうりょくによる時間じかんおくれは対象たいしょうぶつ加速かそくする環境かんきょう特殊とくしゅ相対性理論そうたいせいりろん結果けっかとして1907ねんにアルベルト・アインシュタインによりはじめて記述きじゅつされた[3]一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろんでは時空じくう計量けいりょうテンソル英語えいごばんによりあらわされるようにことなる位置いち固有こゆう経過けいかなかでのちがいであるとかんがえられている。重力じゅうりょくによる時間じかんおくれが存在そんざいすることは1959ねんポンド・レブカ実験じっけん英語えいごばんによりはじめて直接ちょくせつ確認かくにんされ、のち重力じゅうりょくプローブA英語えいごばんなどの実験じっけん正確せいかくなものとなった。

重力じゅうりょくによる時間じかんおくれは重力じゅうりょくあか方偏かたへんうつり英語えいごばん密接みっせつかかわっている[4]。(一定いってい周波数しゅうはすうひかりはなつ)ちかほう物体ぶったいきつけられる物体ぶったいかい、おおくは時間じかん重力じゅうりょくによる時間じかんおくれによりおそくなり、(さらに「あか方偏かたへんうつした」)ひく周波数しゅうはすうてい位置いち観測かんそくしゃから観測かんそくされるようにはなたれるひかり周波数しゅうはすうのようにえる。

定義ていぎ

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巨大きょだい物体ぶったいからとおはなれた(またはたか重力じゅうりょくポテンシャルにある)時計とけいはやすすみ、巨大きょだい物体ぶったいちかい(またはひく重力じゅうりょくポテンシャルにある)時計とけいおそすすむ。たとえば地球ちきゅうぜん期間きかん(46おくねん)を考慮こうりょれると、おそらくエベレスト山頂さんちょうプロミネンス8848m)のように海抜かいばつ9000メートルのたかさで地球ちきゅう静止せいし軌道きどうじょうにある位置いちかれた時計とけい海面かいめんじょう時計とけいよりやく39時間じかんすす[5][6]。このことはgravitational time dilationが巨大きょだい重力じゅうりょくじょう加速かそくする基準きじゅんけいにより(または等価とうか原理げんりにより)証明しょうめいされる理由りゆうである[7]

一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろんによると慣性かんせい質量しつりょう引力いんりょく質量しつりょうおなじで、(特有とくゆう時間じかんおくれがあるじょうそく回転かいてんする基準きじゅんけい英語えいごばんのような)加速かそくける基準きじゅんけいすべてが物理ぶつり法則ほうそくにおいては、おな強度きょうど重力じゅうりょくじょう等価とうかである[8]

ぐな「垂直すいちょくせん沿った観測かんそくしゃ一群いちぐんかんがえてみよう。それぞれがこのせん沿って(たとえばなが加速かそくする宇宙船うちゅうせん[9][10]摩天楼まてんろう惑星わくせいじょう縦坑たてこうけられる明確めいかく一定いっていgちから経験けいけんする。前述ぜんじゅつせん沿った同位どういぶつである「たかさ」にたいするgちから依存いぞんさせてみよう。基礎きそとなる観測かんそくしゃかんする方程式ほうていしきはなれた位置いち全体ぜんたいてき時間じかんおくれでありが「たかさ」たいするgりょく依存いぞんであり光速こうそくでありeによるべきじょうしめ

である。

かりやすくするために平坦へいたんとき空間くうかんリンドラーの観測かんそくしゃ一群いちぐんでは依存いぞん関係かんけい不変ふへんのある

であり、

あたえる。

一方いっぽうがほぼ一定いっていよりちいさい場合ばあいいち次元じげんの「よわ」の近似きんじしき使つかえる。

平坦へいたんとき空間くうかんにおける回転かいてんする参照さんしょうわくたいするおな公式こうしき適用てきようエーレンフェストパラドックス英語えいごばん参照さんしょうしてください。

回転かいてんしない領域りょういき外側そとがわ

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重力じゅうりょく作用さよう時間じかんおくれを測定そくていするのに使つかわれる共通きょうつう方程式ほうていしきシュワルツシルトかいからされ、回転かいてんしない巨大きょだいえん対称たいしょう英語えいごばん軌道きどうあらわしている。方程式ほうていしき

  • 巨大きょだい領域りょういきたとえば重力じゅうりょくじょうないふかみ)に接近せっきんする観測かんそくしゃにとってのふたつの事象じしょうあいだ特有とくゆう時間じかんである。
  • 巨大きょだい軌道きどうからの任意にんい長距離ちょうきょり観測かんそくしゃにとっての事象じしょうあいだ同等どうとう時間じかんである(これははるかにはなれた観測かんそくしゃ近接きんせつした時計とけいがこの速度そくどとききざ一方いっぽう巨大きょだい領域りょういきからの無限むげん距離きょり時計とけいびょうごとにとききざ同等どうとう体制たいせいであるシュワルツシルト時空じくう英語えいごばん使つかっていることを仮定かていしている)。
  • 万有引力ばんゆういんりょく定数ていすうである。
  • 重力じゅうりょくじょうつく軌道きどう質量しつりょうである。
  • 重力じゅうりょくじょうない観測かんそくしゃ半径はんけい座標ざひょうである(この座標ざひょう軌道きどう中心ちゅうしんからの古典こてんてき距離きょり類似るいじしているが、実際じっさいはシュワルツシルト座標ざひょうであり、この形式けいしき方程式ほうていしきにとっての本当ほんとう解決かいけつさくがある。)。
  • 光速こうそくである。
  • シュワルツシルト半径はんけいである。
  • 脱出だっしゅつ速度そくどである。
  • 光速こうそくとして説明せつめいされる脱出だっしゅつ速度そくどである。

である。 ここで回転かいてん効果こうか原因げんいん説明せつめいすることなく例証れいしょうするには、地球ちきゅう重力じゅうりょく近接きんせつすることは距離きょりのある観測かんそくしゃ時計とけいより1ねんえて0.0219びょうほど惑星わくせい表面ひょうめん時計とけいすす原因げんいんとなる。たいして太陽たいよう表面ひょうめん時計とけいは1ねんやく66.4びょうすすむ。

回転かいてん軌道きどう

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シュワルツシルトかいでは軌道きどう半径はんけい光子こうしだま半径はんけい)よりおおきければ自由じゆう落下らっかする軌道きどう回転かいてん軌道きどうにあるかもれない。静止せいしする時計とけい公式こうしき上記じょうきとおりであり、下記かき公式こうしき回転かいてん軌道きどう時計とけいのための一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろん時間じかんおくれをしめしている[11][12]

両方りょうほうおくれは下記かき図表ずひょうしめしている。

重力じゅうりょくによる時間じかんおくれの重要じゅうよう特徴とくちょう

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  • 一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろんによると重力じゅうりょくによる時間じかんおくれは加速度かそくどけい英語えいごばん存在そんざいともな共存きょうぞんである。くわえて同様どうよう環境かんきょうにおける物理ぶつり事象じしょうすべ一般いっぱん相対性理論そうたいせいりろん使つかわれる等価とうか原理げんりによるとひとしく時間じかんおくれを経験けいけんする。
  • ある場面ばめん光速こうそくはそこにいる観測かんそくしゃによるとつねcひとしい。それはすべての時空じくう微少びしょう区域くいき自身じしん適切てきせつ時間じかんてられる可能かのうせいがありその区域くいき適切てきせつ時間じかんによると光速こうそくつねcであるということである。これはあたえられた区域くいき観測かんそくしゃ占有せんゆうされているかいないかの事例じれいである。遅延ちえん地球ちきゅうからはなたれる光子こうし太陽たいよう近傍きんぼう湾曲わんきょく金星きんぼしへの旅行りょこう同様どうよう航路こうろ沿った地球ちきゅうへの帰還きかんとして計測けいそくされる可能かのうせいがある。太陽たいよう周辺しゅうへん有限ゆうげん距離きょり移動いどうするひかり観測かんそくする速度そくどcとはちがうことになる一方いっぽうで、その区域くいき光子こうし速度そくど観測かんそくする観測かんそくしゃcであるこの光子こうし速度そくど見出みいだすことになるので、ここでは光速こうそく安定あんてい侵害しんがいされることはない。
  • 観測かんそくしゃ遠隔えんかく操作そうさ遠隔えんかく操作そうさ区切くぎはなれた場面ばめん)でひかり探知たんちできれば、最初さいしょ観測かんそくしゃ遠方えんぽうひかり遠方えんぽう拡張かくちょうする観測かんそくしゃ両方りょうほう最初さいしょ観測かんそくしゃ本当ほんとう自身じしん場所ばしょで)観測かんそくできるほかのあらゆるひかりのようにc最初さいしょ観測かんそくしゃほかひかりよりおそ時計とけいっている時間じかん巨大きょだい物体ぶったいちかほう観測かんそくしゃおおきくする。遠方えんぽうひかり結局けっきょく最初さいしょ観測かんそくしゃ拡張かくちょうするなら、それも最初さいしょ観測かんそくしゃによりcとして計測けいそくされることになる。
  • 重力じゅうりょくによる井戸いどにおける重力じゅうりょくによる時間じかんおくはこの重力じゅうりょくによる井戸いどすのに必要ひつよう速度そくどのための時間じかんおくひとしい(測定そくていほう形式けいしきのものをあたえられる。たとえば一定いってい時間じかんであり、期間きかんに「うごき」はない。)。これをしめすために無限むげんだい井戸いど自由じゆう落下らっかする物体ぶったいネーターの定理ていり応用おうようできる。そのさい測定そくていほうじょう時空じくう一致いっちりょう保存ほぞん暗示あんじしていて、そこでは物体ぶったい4げん速度そくど英語えいごばん構成こうせい要素ようそをなす時空じくうである。無限むげんだいにおいて、つまりまたはそこでの時間じかんおくれに適合てきごうする座標ざひょうにおいてそれは獲得かくとくした速度そくどによる時間じかんおくれが(落下らっかする物体ぶったい位置いち計測けいそくされるように)物体ぶったい落下らっかする井戸いど重力じゅうりょくによる時間じかんおくれにひとしい。この議論ぎろんさら一般いっぱんしながら、(計測けいそくほうにおけるおな仮定かていもとづいて)地点ちてんあいだ関連かんれんする重力じゅうりょくによる時間じかんおくれがひくいところからたかいところにのぼるのに必要ひつよう時間じかんおくれにひとしい。

実験じっけんもとづく確認かくにん

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人工じんこう衛星えいせい時計とけい軌道きどうじょう速度そくどによりおくれるが、地球ちきゅう重力じゅうりょくからの距離きょりにより加速かそくする。

重力じゅうりょくによる時間じかんおくれはハフェル・キーティング実験じっけん英語えいごばんのように実験じっけんもとづいて飛行機ひこうきない原子げんし時計とけい計測けいそくしてきた。機内きない時計とけい地上ちじょう時計とけいよりわずかにはやかった。グローバル・ポジショニング・システムの人工じんこう衛星えいせい正確せいかく時計とけい必要ひつようとする結果けっか十分じゅうぶん重要じゅうようである[13]

くわえて1メートルよりちいさいたかさのちがいによる時間じかんおくれは実験じっけんもとづき実験じっけんしつ証明しょうめいされている[14]

重力じゅうりょくあか方偏かたへんうつりにおける重力じゅうりょくによる時間じかんおくれもパウンド・レブカ実験じっけん英語えいごばん白色はくしょく矮星シリウスB観測かんそくにより確認かくにんされている。

重力じゅうりょくによる時間じかんおくれは火星かせい探査たんさバイキング1ごうとやりとりした時間じかん信号しんごうによる実験じっけん証明しょうめいされている[15][16]

関連かんれん項目こうもく

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参照さんしょう

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  1. ^ Einstein, A. (February 2004). Relativity : the Special and General Theory by Albert Einstein. Project Gutenberg. https://www.gutenberg.org/ebooks/5001 
  2. ^ Uggerhøj, U I; Mikkelsen, R E; Faye, J (2016). “The young centre of the Earth”. European Journal of Physics 37 (3): 035602. arXiv:1604.05507. Bibcode2016EJPh...37c5602U. doi:10.1088/0143-0807/37/3/035602. 
  3. ^ A. Einstein, "Über das Relativitätsprinzip und die aus demselben gezogenen Folgerungen", Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik 4, 411–462 (1907); English translation, in "On the relativity principle and the conclusions drawn from it", in "The Collected Papers", v.2, 433–484 (1989); also in H M Schwartz, "Einstein's comprehensive 1907 essay on relativity, part I", American Journal of Physics vol.45,no.6 (1977) pp.512–517; Part II in American Journal of Physics vol.45 no.9 (1977), pp.811–817; Part III in American Journal of Physics vol.45 no.10 (1977), pp.899–902, see parts I, II and III.
  4. ^ Cheng, T.P. (2010). Relativity, Gravitation and Cosmology: A Basic Introduction. Oxford Master Series in Physics. OUP Oxford. p. 72. ISBN 978-0-19-957363-9. https://books.google.com/books?id=Q6p0DgAAQBAJ&pg=PA73 2022ねん11月7にち閲覧えつらん 
  5. ^ Hassani, Sadri (2011). From Atoms to Galaxies: A Conceptual Physics Approach to Scientific Awareness. CRC Press. p. 433. ISBN 978-1-4398-0850-4. https://books.google.com/books?id=oypZ_a9pqdsC&pg=PA433  Extract of page 433
  6. ^ Topper, David (2012). How Einstein Created Relativity out of Physics and Astronomy (illustrated ed.). Springer Science & Business Media. p. 118. ISBN 978-1-4614-4781-8. https://books.google.com/books?id=2U6qvi5TlE4C  Extract of page 118
  7. ^ John A. Auping, Proceedings of the International Conference on Two Cosmological Models, Plaza y Valdes, ISBN 9786074025309
  8. ^ Johan F Prins, On Einstein's Non-Simultaneity, Length-Contraction and Time-Dilation
  9. ^ Kogut, John B. (2012). Introduction to Relativity: For Physicists and Astronomers (illustrated ed.). Academic Press. p. 112. ISBN 978-0-08-092408-3. https://books.google.com/books?id=9AKPpSxiN4IC 
  10. ^ Bennett, Jeffrey (2014). What Is Relativity?: An Intuitive Introduction to Einstein's Ideas, and Why They Matter (illustrated ed.). Columbia University Press. p. 120. ISBN 978-0-231-53703-2. https://books.google.com/books?id=OiquAgAAQBAJ  Extract of page 120
  11. ^ Keeton, Keeton (2014). Principles of Astrophysics: Using Gravity and Stellar Physics to Explore the Cosmos (illustrated ed.). Springer. p. 208. ISBN 978-1-4614-9236-8. https://books.google.com/books?id=PoQpBAAAQBAJ  Extract of page 208
  12. ^ Taylor, Edwin F.; Wheeler, John Archibald (2000). Exploring Black Holes. Addison Wesley Longman. p. 8-22. ISBN 978-0-201-38423-9. https://archive.org/details/exploringblackho00tayl_147 
  13. ^ Richard Wolfson (2003). Simply Einstein. W W Norton & Co.. p. 216. ISBN 978-0-393-05154-4. https://archive.org/details/simplyeinsteinre0000wolf/page/216/mode/1up?view=theater 
  14. ^ C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D. J. Wineland (24 September 2010), "Optical clocks and relativity", Science, 329(5999): 1630–1633; [1]
  15. ^ Shapiro, I. I.; Reasenberg, R. D. (30 September 1977). “The Viking Relativity Experiment”. Journal of Geophysical Research (AGU) 82 (28): 4329-4334. Bibcode1977JGR....82.4329S. doi:10.1029/JS082i028p04329. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/JS082i028p04329 2021ねん2がつ6にち閲覧えつらん. 
  16. ^ Thornton, Stephen T.; Rex, Andrew (2006). Modern Physics for Scientists and Engineers (3rd, illustrated ed.). Thomson, Brooks/Cole. p. 552. ISBN 978-0-534-41781-9. https://books.google.com/books?id=g74rAAAAYAAJ 

参考さんこう文献ぶんけん

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