重力について考えるとき、私たちは通常、質量間の力として考えています。 例えば、体重計に乗ると、体重計の数字は地球の重力があなたの質量に引っ張られ、あなたの体重になることを表しています。 太陽が惑星の軌道を支えている引力や、ブラックホールの引力を想像するとわかりやすいでしょう。 力というのは、押したり引いたりするものと考えるとわかりやすいのですが、重力というのは、一般相対性理論で説明されている、より複雑な現象の一部に過ぎないということが、現在ではわかっています。 一般相対性理論はエレガントな理論ですが、力としての重力という考えからは根本的に離れています。 かつてカール・セーガンは「異常な主張には異常な証拠が必要だ」と言ったが、アインシュタインの理論は非常に異常な主張である。 しかし、空間と時間の湾曲を確認するいくつかの並外れた実験があることがわかった。

一般相対性理論の鍵は、重力場にあるすべてのものは同じ速度で落ちるという事実にある。 月の上に立って、ハンマーと羽を落とすと、同時に地表にぶつかる。 これは、質量や物理的な構造に関係なく、どんな物体にも同じことが言えます。

すべてのものは質量に関係なく同じように落ちるので、何か外部の基準点がなければ、重力源から遠く離れて自由に浮いている観測者と、巨大な物体の重力場で自由に落ちている観測者は、それぞれ同じ経験をすることになるのです。 例えば、宇宙ステーションにいる宇宙飛行士は、あたかも重力がなく浮いているように見える。 実は、宇宙ステーションにかかる地球の引力は、地表とほぼ同じ強さなのです。 違うのは、宇宙ステーション（とその中にあるもの）が落下していることです。

この浮遊と落下の等価性を利用して、アインシュタインは理論を発展させたのです。 一般相対性理論では、重力は質量間の力ではありません。 その代わり重力は、質量がある場合の空間と時間のゆがみによる効果です。 力が働かなければ、物体は直線的に移動する。 紙に線を引いた後、紙をねじったり曲げたりすると、その線はまっすぐではなくなります。 これと同じように、空間や時間が曲げられると、物体のまっすぐな道も曲がってしまうのです。 すべての物体が同じ速度で落下するのは、このためである。 重力が特定の方法で時空を歪めているので、地球付近ではすべての物体の直線経路が同じように曲がっているのです。

では、重力が歪んだ時空であることを証明するには、どのような実験が考えられるでしょうか。 一つは、光が近くの質量によって偏向されることに由来する。 よく、光には質量がないから、物体の重力によって偏向されることはないはずだ、と主張されます。 しかし、これは正しくありません。 光にはエネルギーがあり、特殊相対性理論では質量とエネルギーは等価なので、ニュートンの重力理論は、光が近くの質量によってわずかにそらされることを予言する。

この効果は1919年にArthur Eddingtonによって初めて観測されました。 エディントンは皆既日食を撮影するために西アフリカの沖合にあるプリンシペ島を訪れました。 彼はその少し前に、同じ領域の空の写真を撮っていたのです。 日食の写真と、それ以前に撮った同じ空の写真を比較することで、太陽が近づくと星の位置がずれることが分かった。 この偏向量は、ニュートンではなく、アインシュタインと一致したのです。 それ以来、私たちは、遠くのクエーサーや銀河の光が、より近い質量によって偏向されるのと同じような効果を確認しています。 これは重力レンズと呼ばれ、銀河の質量を測定したり、暗黒物質の影響を見たりするのに使われています。

もう1つの証拠は、時間遅延実験として知られています。 太陽の質量はその近くの空間をゆがめるので、太陽の近くを通る光は完全な直線で進むことはない。 そのため、太陽の近くを通る光は、完全な直線ではなく、少しカーブした道を通り、少し長くなるのです。 つまり、太陽系の反対側にある惑星からの光は、予想よりも少し遅れて私たちに届くのです。 この時間遅れを初めて測定したのは、1960年代後半にアーウィン・シャピロ氏である。 金星と地球が太陽を挟んでほぼ反対側にあるときに、地球から金星に電波を発射し、その電波が金星に跳ね返ってきた。 その結果、一般相対性理論で予言されている通り、往復で約200マイクロ秒の遅れが発生した。 この効果は、現在ではシャピロ時間遅延として知られており、（移動時間によって決まる）平均光速が（常に一定の）瞬間光速よりわずかに遅いことを意味します。 もし星が周囲の空間を歪めるなら、連星系の星の運動は時空に波紋を作るはずで、それは水の中で指を振り回すと水面に波紋ができるのと同じである。 重力波が星から放射されると、連星系からエネルギーが奪われます。 これは、連星系が徐々に接近していくことを意味し、インスパイアリングと呼ばれる効果です。

通常の連星では、この効果は非常に小さく、観測することができない。 しかし1974年に2人の天文学者（ハルスとテイラー）が興味深いパルサーを発見した。 パルサーとは高速で回転する中性子星のことで、たまたま電波パルスを私たちの方向に放射しているのです。 パルサーのパルス数は、通常、非常に規則的です。 ハルスとテイラーは、このパルサーの速度がわずかに速くなったり、わずかに遅くなったりを規則正しく繰り返していることに気づきました。 彼らはこの変動が、パルサーが星の周りを回るときの運動によるものであることを明らかにした。 彼らはパルサーの軌道運動を非常に正確に決定することができ、その軌道周期を1秒の何分の一かの誤差まで計算することができた。 何年もかけてパルサーを観察しているうちに、その公転周期が徐々に短くなっていることに気づいたのです。 2449>

最後にフレームドラッグと呼ばれる効果も存在します。 この効果は地球近傍で確認されています。 地球は自転しているので、その質量によって時空を曲げているだけでなく、自転によって周りの時空をねじ曲げているのです。 この時空のねじれは、フレームドラッギングと呼ばれる。 地球近傍ではその効果はあまり大きくありませんが、Lense-Thirring効果によって測定することができます。 基本的には、球形のジャイロスコープを軌道上に置き、その回転軸が変化するかどうかを見ます。 フレームドラッグがなければ、ジャイロスコープの向きは変わらないはずです。 もしフレームドラッグがあれば、空間と時間の螺旋状のねじれによってジャイロスコープが歳差運動し、その向きが時間とともにゆっくりと変化していきます。 Credit: Gravity Probe B team, NASA.

この実験は、実際にグラビティ・プローブBという衛星で行い、その結果をこちらの図でご覧いただけます。 ご覧のとおり、非常によく一致しています。

これらの実験のいずれもが、重力が単に質量間の力ではないことを示しています。 重力は代わりに空間と時間の効果である。 重力は宇宙の形そのものに組み込まれているのです。

今度スケールに乗るときは、このことを考えてみてください。