皆既日食はアインシュタインの相対性理論を確固たるものにするのに役立った。今日、私たちは同じ原理を利用して、時間測定において非常に小さな修正を加え、正確な GPS 測位を可能にしています。
全地球航法衛星システムと全地球測位システムは、車、携帯電話、ペットトラッカー、ドローンなど、私たちが日常生活で使用するあらゆるものに統合されています。しかし、GPSはアインシュタインの一般相対性理論の研究があってこそ可能になったものであり、1919年の皆既日食がなければ彼の研究はすべて無駄になっていたかもしれません。
アルバート・アインシュタインの日食理論
アインシュタインは、質量は単に重力を発生させるのではなく、平らに広げた伸縮性のある布地を重りで歪ませるのと同じように、彼が時空と呼んだ理論上の構造を歪ませると理論づけました。アインシュタインの考えでは、地球上で重力として解釈するものは、単に時空の歪みに過ぎませんでした。しかし、当時はそれを証明する良い方法がまったくありませんでした。アインシュタインは、太陽のような特定の量の質量によって引き起こされるこれらの歪みの大きさを推定するために、理論的に場の方程式を導き出すことしかできませんでした。
相対性理論はどのように証明されたのでしょうか?
実際に時空が存在するかどうか、そして影響質量が時空にどのような影響を与えるかをテストする実験を考案したのは、英国王立天文官のフランク・ワトソン・ダイソン卿でした。アインシュタインは、星からの光が太陽を通過すると、光が十分に曲げられ、地球上の私たちは実際に太陽の「背後」にある星を、実際の場所とは異なる場所で見るだろうと理論づけました。しかし、太陽の真後ろにある、期待はずれの鈍い星の光を捉えることは不可能であるため、アインシュタインは太陽の背後にある星の写真を撮ることができませんでした。… ただし、フランク・ワトソン・ダイソン卿が提案したように、皆既日食の最中だった場合は別です! やったー!
これが可能になったのは、1919年5月29日の皆既日食のときでした。日食はアフリカからブラジルまで広がり、ダイソン卿とアーサー・エディントン卿は必要な証拠を得るために2つの双子の探検隊を率いました。探検隊はブラジルのソブラルとアフリカのプリンシペ島に派遣されました。2つの地点間で日食の写真が12枚以上撮影され、それらはすべてアインシュタインの理論と彼の正確な予測を確認するために使用されました。
人間の目にはほとんど同じに見えますが、太陽の周りで見える星は、実際には地球上で私たちが見て解釈するものとは異なる場所にあります。この現象は現在、 重力レンズ そして、アインシュタインにとっては、彼がこれまでに持っていた最も偉大な理論が実際に真実であったことの証明となったのです。私たちの日常生活において、重力は実際に時間に直接影響を及ぼします。
宇宙から衛星技術へ
アインシュタインの理論が証明されて以来、私たちは一般相対性理論が本質的に私たちの周囲に存在していることを何度も確認し続けています。現代科学は重力の違いとそれが時間に与える影響を非常に正確に測定しており、アメリカ国立標準技術研究所の研究所に行って友人より33センチ高いところに79年間立っていたとしたら、実際には友人よりも90億分の1秒早く老化することになる。しかし、彼らはそれを判定するために一対のアルミニウム製時計を使用しています。アインシュタインはそれを持っていませんでしたが、彼らの研究は彼の理論を証明しています。
結局のところ、現代においてこれが意味することは、異なる重力場の大きさにさらされると、時計の進み具合が異なるということです。GPS衛星は地球の表面から約20,000 kmの高度を飛行するため、私たちとはまったく異なる重力を感じ、実際には地球上の時計よりも速く進みますが… 、それほど速くはありません。1977年に最初に打ち上げられたとき、GPS衛星に搭載された原子セシウム時計は、一般相対性理論の対象になった後、同じタイムスタンプと一致するように、地球上の時計よりも38 µs遅く「進む」ように実際に設計されていました。アインシュタインが予測したこの信じられないほど小さな時間補正により、すぐに使用できる小さなGPSモジュールで、数センチメートルの精度で地球上の位置を伝えることができます。
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出典:
1919年5月29日の皆既日食の観測に基づく太陽の重力場による光の偏向の決定: サーF. W. ダイソン。1919年11月6日。 http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/roypta/220/571-581/291.full.pdf
NISTのアルミ製時計ペアが、アインシュタインの相対性理論を個人レベルで明らかにします。 2010年9月23日。 https://www.nist.gov/news-events/news/2010/09/nist-pair-aluminum-atomic-clocks-reveal-einsteins-relativity-personal-scale