ブラックホールの事象の地平線近くの時空の強い曲率の図。巨大な物体に近づくほど、より多くの空間が湾曲します。その結果、あなたは光さえ逃げることができない場所、つまり事象の地平線の中にいることに気づきます。
ほとんどの人は、宇宙について考えて、互いに巨大な宇宙の距離にある物質的な物体を想像します。物質はそれ自身の重力の影響下で崩壊し、銀河のような宇宙構造を形成します。ガス雲は崩壊し、星や惑星を生み出します。星は核融合反応で燃料を燃やして発光します。この光は宇宙全体を移動し、出くわすすべてのものを照らします。しかし、宇宙はその中の物体だけではありません。時空の構造もあり、それは独自の規則、つまり一般相対性理論（GR）の規則に従って機能します。時空の構造は物質とエネルギーの存在下で湾曲しますが、時空の構造のまさに湾曲は物質とエネルギーがどのように動くかを決定します。しかし、具体的には、時空とは「現実」のものです。それとも単なる計算ツールですか？読者はこれについて私たちに尋ねます：
時空とは正確には何ですか？それは原子のような本物ですか、それとも質量が重力を「生成」する方法を説明するために使用される数学的構成ですか？
すばらしい質問です。このトピックについて考えるのは難しいです。さらに、アインシュタインが現れる前は、私たちの宇宙に対する理解は現在のものとは非常に異なっていました。時空の概念がまだなかった遠い宇宙の過去に戻り、今日まで前進していきましょう。
巨視的から亜原子までのすべてのスケールで、基本的な粒子のサイズは、複合構造の最終的なサイズを決定する上でほとんど役割を果たしません。これらの物質の構成要素が本当に基本的な点粒子であるかどうかはまだ不明です。しかし、私たちは宇宙の構造を巨大な宇宙のスケールから小さな亜原子のスケールまで理解しています。たとえば、人体には約1028個の原子が含まれています。
基本的なレベルでは、私たちは長い間、宇宙の物体を取り、それをますます小さな構成要素に分割し始めると、最終的には不可分な何かを達成できると考えてきました。 「アトム」という言葉は、ギリシャ語のἄτομοςから文字通り「不可分」を意味します。このアイデアの最初の言及は、2400年前の デモクリトスで行われました。..。ただし、このアイデアは以前に考案された可能性があります。そのような不可分な実体は実際に存在します-それらは量子粒子として知られています。周期表の元素を原子と呼んでいるにもかかわらず、クォーク、グルーオン、電子などの亜原子粒子（および原子内でまったく発生しない粒子）は本当に不可分です。
これらの量子はすべて結合し、陽子や原子から分子や人に至るまで、今日私たちに知られている宇宙のすべての構成構造を構成しています。そして、これらすべての量子は、それらのタイプ（物質または反物質、質量の有無、基本または複合、亜原子または宇宙）に関係なく、私たちと同じ宇宙の枠組み内に存在します。
時空でのオブジェクトの動きを管理するすべてのルール、およびオブジェクトとシステムの他の部分との間に作用する初期条件とすべての力を知っている場合は、オブジェクトが時空をどのように移動するかを予測できます。ただし、オブジェクトの場所は、空間座標に時間的なものを追加しないと正確に指定できません。
そして、これは重要です。なぜなら、宇宙のすべてのものが互いに何かをしたい場合（相互作用、接続、構造の形成、エネルギーの伝達）、これを行う方法が必要だからです。すべてのキャラクターが書かれ、俳優がそれらを演じる準備ができて、衣装が準備され、すべての行が書かれ、学習される劇を想像してみてください。足りないのは非常に重要なこと、つまりシーンだけです。
物理学におけるシーンの役割は何ですか？
アインシュタインが現れる前に、ステージはニュートンによってセットアップされました。宇宙のすべての「俳優」は、一連の座標、つまり3次元空間内の場所とある瞬間によって記述できます。これはデカルトグリッドのようなものでした。x、y、z軸を持つ3次元構造であり、すべてのオブジェクトは、時間の関数として空間をどのように移動するかを表すインパルスを持つことができます。時間自体は線形であると見なされ、一定の速度で実行されていました。ニュートンの見解では、空間と時間は絶対的でした。
空間は3次元の格子と考えることがよくありますが、これは参照のフレームに依存する過度の単純化です。実際、時空は物質とエネルギーの存在下で曲がり、その中の距離は固定されていませんが、宇宙の膨張または収縮によって変化します。
しかし、19世紀の終わりに放射能が発見されたことで、ニュートンの世界像に疑問の影が投げかけられました。原子が光速で動く亜原子粒子を放出できることを知って、私たちは驚くべきことに気づきました。粒子が光速に近い速度で動くとき、それはゆっくりと動く物体とはまったく異なる方法で時空を知覚します。残り。
静止状態で非常に速く崩壊する不安定な粒子は、長生きするほど、その速度は光速に近づきました。これらの粒子は、速度と寿命に基づいて、本来あるべき距離よりも長い距離を移動しました。そして、移動する粒子のエネルギーまたは運動量を計算しようとすると、異なる観測者（それに対して異なる速度で移動する）は一致しない値を受け取りました。
ニュートンの時空の概念に何か問題があったことが判明しました。光速に近い速度では、時間が長くなり、距離が短くなり、エネルギーと運動量は基準系に依存します。つまり、宇宙に対するあなたの認識は、あなたがどのように動くかに依存します。
陽子が2つの鏡で反射される光時計は、どの観測者の時間を数えることもできます。そして、2人の観測者は、2つの瞬間の間にどれだけの時間が経過したかについて意見が一致しないかもしれませんが、物理法則と宇宙の定数、特に光速については同意できます。静止している観測者の場合、時間は通常どおりに進み、動きの速い人の場合、時計は静止している場合よりも遅くなります。
アインシュタインは、観察者が動いても変化しない量と、基準系に依存する量を説明した、現実の概念における目覚ましい進歩に責任があります。たとえば、光の速度はすべての観測者で同じであり、あらゆる量の物質の残りの質量も同じです。ただし、2点間の距離は、それらを結ぶ線に沿った動きに大きく依存します。時計の動作速度も動きによって異なります。
ニュートンが考えたように、空間と時間は絶対的ではないことが判明し、さまざまな観察者によってさまざまな方法で認識されました。それらは相対的であることが判明したため、この理論は「相対性理論」と呼ばれています。さらに、特定の観察者による空間の知覚と時間の間には明確な関係があります。アインシュタインが特殊相対性理論（STR）を発表してから数年後、それは彼の元教授ヘルマン・ミンコフスキーによって導き出されました。彼は、空間と時間を含む単一の数学的構造、つまり時空を推測しました。彼自身が書いたように、
これからは時間そのものと空間自体が空虚なフィクションになり、彼らの団結だけが現実のチャンスを保持します。
今日、重力を無視できるのであれば、この時空はまだ広く使われています。 ミンコフスキー空間。
光の円錐、時空の1点から出入りするすべての可能な光線で構成される3次元の表面。空間を通過すればするほど、時間は少なくなり、逆もまた同様です。今日、あなたは過去の光円錐にあったものによってのみ影響を受けることができます。将来的には、将来の光円錐に含まれているものだけを知覚できるようになります。これは、湾曲した一般相対性理論ではなく、平らなミンコフスキー空間の図です。
しかし、現実の宇宙には重力があります。この力は、広大な空間にわたって即座に作用するわけではありません。それはすべての質量のない量子と同じ速度で、つまり光速で伝播します。 SRTで策定されたすべてのルールは引き続き適用可能ですが、画像に重力を含めるには、さらに何かが必要でした：物質とエネルギーの存在に応じて、それ自体の曲率の時空の存在のアイデア。
ある意味、それは簡単です。俳優をステージに配置する場合、ステージは彼らの体重を支えることができなければなりません。俳優が大規模で、シーンが完全にラフでない場合、俳優の存在下で変形します。
同じ現象が時空でも機能します。物質とエネルギーの存在がそれを曲げ、この曲率が距離（空間）と時計の速度（時間）に影響を与えます。さらに、この影響はかなり複雑であることが判明しました。物質とエネルギーが時空に与える影響を計算すると、空間的効果と時間的効果は関連しています。 SRTで表現した3次元格子の線は、GRTでは湾曲しています。
空の3次元格子に質量が現れると、その線が特定の方法で曲がります。彼らは大衆に向かって伸びているようです。
時空は純粋に計算ツールと考えることができ、そこで止まります。数学では、時空でさえ計量テンソルで記述できます。この形式により、他のフィールド、線、円弧、距離などと同様に計算できます。特定の正確に記述された方法でその中に存在することができます。空間は、平坦または任意に湾曲、有限または無限、開放または閉鎖であり、任意の数の次元で構成されます。一般相対性理論では、計量テンソルは4次元（3つの空間次元と1つの時間次元）であり、時空の曲率は物質、エネルギー、およびその内部張力によって決定されます。
簡単に言えば、時空の曲率は宇宙の内容によって決定されます。そして、時空の曲率を取り、物質やエネルギーが時間の経過とともにどのように移動して変化するかを予測できます。一般相対性理論の規則により、物質、光、反物質、ニュートリノ、さらには重力波さえも宇宙をどのように移動するかを予測することができます。これらの予測はすべて、私たちの観察と測定と完全に一致しています。
3つの検出器によって記録された、重力波の出現に関連するGW190521イベントからの信号。信号の持続時間は約13ミリ秒であったが、それはアインシュタインの方程式E = MCを介して純粋なエネルギーに8つの太陽質量の変換に相当するエネルギーを表す2。
私たちが測定しないのは時空そのものです。距離と時間間隔を測定することはできますが、これらはすべて、基礎となる時空の間接的な検知です。物体、機器、検出器など、私たちと相互作用するすべてのものを測定できますが、相互作用は、時空の同じ時点に2つのオブジェクトがあり、それらが出会ったときに「イベント」が登録されている場合にのみ発生します。
湾曲した時空が宇宙の物質とエネルギーに与えるすべての影響を測定できます。
- 宇宙の膨張によって生成された放射赤方偏移。
- 前景に塊が存在することによる光の曲がり。
- 回転体の存在下での慣性座標系のエントレインメント。
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そしてまた他の多くの影響。しかし、時空が宇宙の物質やエネルギーに与える影響は測定でき、時空自体は測定できないという事実から、時空は単純な計算ツールと見分けがつかないように振る舞うことになります。
量子重力は、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学を組み合わせようとします。古典的な重力の量子補正は、白の図に示されているようなループ図の形式で示されます。標準模型を拡張して重力を含めると、CPTを表す対称性（ローレンツ対称性）は近似値になり、違反が発生する可能性があります。しかし、これまでのところ、そのような違反は実験で観察されていません。
しかし、これは時空が実際の物理的実体ではないという意味ではありません。演劇を演じる俳優を観察することにより、演劇が行われている場所、「舞台」、それが野原、プラットホーム、裸地などと呼ばれる権利があります。無重力の空間で演じられたとしても、自由落下する基準系がシーンとして使われていることに気付くでしょう。
物理的な宇宙では、私たちが知る限り、物体の存在とそれらの間の相互作用は時空なしでは不可能です。時空があるところでは、物理法則が機能し、すべての根底にある基本的な量子場があります。ある意味で、「何もない」とは空の時空の真空であり、時空がないときに何が起こるかについて話すことは、少なくとも物理学の観点からは意味がありません。空間の境界の外にある「どこ」と、時間の境界の外にある「いつ」について話すのは意味がありません。おそらくそのようなものが存在しますが、このエンティティの物理的な概念はありません。
時空とその中を移動する質量との相互作用のアニメーション。そこから、時空は単なる布ではないことがわかります。すべての3次元空間は、質量とエネルギーの存在下で湾曲しています。互いに回転するいくつかの質量は重力波を生成します。
最も興味深いのは、時空の性質について未回答の質問がまだたくさんあることです。空間と時間は量子的で離散的で、目に見えない領域に分割されていますか、それとも連続的ですか？重力は、他のすべての既知の力と同様に量子相互作用ですか、それともプランクスケールまで伸びる古典的な連続ウェブですか？ ？時空が一般相対性理論が教えてくれるものと異なる場合、それをどの程度正確に、そしてどのように検出できるでしょうか？
しかし、時空が私たちに予測して知ることを可能にするすべてにもかかわらず、それは原子と同じ実体ではありません。時空を直接「検出」することは、何らかの方法で不可能です。時空に存在する物質とエネルギーの個々の量子のみを検出できます。アインシュタインの一般相対性理論の形で時空を記述し、これまでに発見して測定したすべての物理現象をうまく予測して説明しました。しかし、それが何であるか、そしてそれが本物であるかどうかという問題は、現代科学に開かれたままです。