――ニュートンの理論では重力がなぜ物体の質量に比例するのか、そして、そもそもなぜ何もないところを重力が伝わるのかがわからなというお話でした。これを解明したのが一般相対性理論だということですが、アインシュタインはどのように考えたんですか。
この問題を考えるにあたり、アインシュタインは「等価原理」というものを仮定しました。これは重力と慣性力は区別できない、つまり等価であるという考えです。慣性力というのは、車が急発進すると体がシートに押し付けられたり、急ブレーキをかけると逆に前につんのめったりするあれですね。慣性力はニュートンの運動方程式によって（質量）×（加速度）で表される力に他ならないので、これが重力と区別できないのであれば、重力は「質量」と「重力加速度（＝重力による加速後）」の積であるということになります。
――等価原理が正しければ、重力が物体の質量に比例することが導けるわけですね。
そういうことです。そして、重力と慣性力が区別できないとすると、奇妙なことが起きることがわかった。アインシュタインは「特殊相対性理論」を発表してから２年後の1907年に、エレベーターを用いた次のような思考実験をしています。
重力のない空間をエレベーターが加速度を持って上に上がっていくと、エレベーターの室内では下向きの慣性力が働きます。このとき、エレベーターの床に設置した光源から天井に設置した受信器に向かって光を放つとどうなるか。エレベーターは加速度をもって上昇しているので、ドップラー効果（受信器が運動するとき、受信される波の振動数が発信源での値と異なる現象）により、天井で受信される光の振動数は発信時の振動数よりも小さくなる。
等価原理から慣性力と重力が同じものだとすると、これと同じ変化が重力によっても起きることになります。
――つまり、地球上（＝重力のある空間）の静止しているエレベーターの中でも、ドップラー効果によるものと同じ振動数の変化が起きるわけですね。
そういうことです。ここで、エレベーターの天井を宇宙空間まで高くしたしたとすると、床（＝地上）から発射された光の振動数は重力によって変化し、地上にいる人と天井（＝宇宙空間）にいる人とでは異なる色の光が見える――光の色は振動数によって決まるため――ということになります。
――同じ光なのに、どこで見るかによって色が変わると。
ではなぜ、そんなことが起こるのか。アインシュタインが辿り着いたのは、時間の尺度が重力によって変化するという驚くべき考えでした。
万有引力の法則から、重力の大きさは重力源からの距離の逆２乗に比例します。つまり、地上で静止しているエレベーターでは、床よりも天井の方が重力が小さい。アインシュタインの考えによると、時間の流れは重力が大きいほど遅く、小さくなるにつれて速くなります。ここで、振動数とは１秒間に観測される波の数だと考えられるので、天井の時間が床の時間より速く流れるということは、天井で観測される光の振動数は床よりも小さくなります。たとえば、床から１秒間に３個分の波が送り出されたとしても天井では２個しか観測されない、ということが起きるわけです。
――床よりも天井の方が「１秒」が短いわけですもんね。
このように考えると、重力がなぜ真空中を伝わるのかという謎も解けてきます。第２回と同じように、塔の上からリンゴを水平に――ただし常識的なスピードで――打ち出してみましょう。このとき、リンゴが飛ぶ軌道を境界線として上下二つの空間を考えます。
もしも重力がなければ、上下の空間の時間の進み方は同じなので、リンゴはどこまでもまっすぐに飛んでいきます。しかし実際には、（重力が小さい）上の空間の時間は、(重力が大きい)下の空間の時間よりも速く進む。つまり、リンゴの上の部分は下の部分よりも速く飛ぶことになるので、リンゴは下向きにカーブするわけです。このカーブがいわゆる放物運動だと、アインシュタインは考えたわけです。
これが、重力がなぜ「真空中」を伝わって物体に作用する（ように見える）のかという問題の答えです。重力は物体そのものに作用するのではなく、重力源からの距離に応じた各地点の「時間の進み方」に影響を与えるのです。
放物運動を描く理由が時間の進み方の違いだとすると、重さは関係ありません。本物のリンゴも鉛でできたリンゴも、同じ軌道を描き、同じ速度で落下する。こうして、物体の落下速度がなぜ重さによらないのかという、ガリレオ以来の謎も解明されるわけです。
――なるほど、よくわかりました。
放物運動について、通俗的な解説書には空間がゆがむからと書いているものもありますが、これは誤解を招きます。たしかに空間も重力でゆがみますし、天体の周辺で光が屈折する現象は時間の伸縮と空間のゆがみが組み合わさった効果ですが、物体の放物運動に関しては時間の伸縮の方がずっと大きく影響しています。
重力の影響による時間の伸縮はいろいろな実験で確認されています。最近では、2020年にスカイツリーの地上階と展望階に原子時計を置いて時間の進み方を調べたところ、展望階の時計は地上階より１日あたり１０億分の４秒速く進んでいたそうです。
――展望階の方が地球の中心から距離があるので、重力が小さいわけですね。
そういうことです。原子時計というのは原子が振動する周期を時間の尺度とするものなので、それが場所（地球の中心からの距離）ごとに異なるということは、場所によって物理現象そのものが変化するということに他なりません。重力というのは基本的にエネルギーの効果であり、その場所のエネルギーの作用によって時間や空間が伸び縮みする。
相対性理論の解説書ではよく「観測者が時計を持って観測すると……」みたいな説明がありますが、あれは忘れた方がいいです。観測者がどうこうではなく、物理現象の尺度となるもの、すなわち時間や空間が場所ごとに異なっているということなんです。
――それこそニュートンが、一様に流れる「絶対時間」やどこまでも均質な「絶対空間」というものを措定して、それが私たちの常識にもなっているので、時間や空間が場所ごとに異なるというのがイメージしづらいのかもしれませんね。
ニュートンは時間とか空間というのを何もない真空の世界でイメージしていたんだと思います。だから、重力がなぜ何もないところを伝わるのかがよくわからなかった。わからないのは当然で、「何もない」と考えたこと自体がおかしかったんです。
時間や空間は真空なのではなく、実はびっしりと埋め尽くされた「場」であって、それが伸びたり縮んだりしている。しかし、時間や空間を感知する人間の解像度は非常に低いので、私たちにはぜんぜん変化していないように見えてしまうわけです。
――空間は「空（から）」ではないと。
物質の素のことを「素粒子」といいますけど、これも実は粒子ではなく「場の状態」なんです。場の振動が、ある時たまたま「粒子」と呼べるような状態をつくっているということであり、一つの素粒子が、電子なら電子が単体で真空中を飛び回っているわけではないんです。
真空中にいろいろな原子が存在しているという考え方は古代ギリシャからあり、これを「原子論」といいますが、このタイプの原子論は20世紀の半ば頃までにほぼ否定されています。こうした世界観の変革を知らない人もたくさんいるのですが、時間や空間は隙間なく埋め尽くされた場であり、それがあちこちで非常に複雑に変化しているというのが、現代物理学の基本的な考え方だと言っていいと思います。
