慣性系の引きずり

慣性系の引きずり

慣性系の引きずり（かんせいけいのひきずり、英語: Frame-dragging）とは、一般相対性理論において予見される、質量を持つ物体が回転する際にその周囲の時空が引きずられるように歪む物理現象です。これは、天体の持つ質量によって時空が湾曲し、それが重力として感じられるというアルベルト・アインシュタインの理論が導く、回転する質量による時空への特殊な影響として位置づけられます。

理論的背景

一般相対性理論では、物質やエネルギーの存在が時空の構造（ジオメトリー）を決定し、その時空の歪みが重力として現れると説明されます。静止している質量は周囲の時空を「へこませる」ように歪ませますが、回転している質量体は、それに加えて時空自体を回転方向に「引きずる」効果を生み出します。これは、あたかも粘性の高い液体の中でコマを回した際に周囲の液体が引きずられるかのように、回転運動が周囲の空間構造に影響を及ぼすことに喩えられます。

この現象はアインシュタインによって予見されましたが、その具体的な影響や定量的な予測は、1918年にオーストリアの物理学者であるヨーゼフ・レンズとハンス・サーリングによって行われました。彼らの計算によって示された効果は、現在では彼らの名にちなんで「レンズ・サーリング効果」としても広く知られています。レンズ・サーリング効果は、回転する質量体のすぐ近くで特に顕著になりますが、地球のような比較的質量が小さくゆっくり回転する物体の場合、その影響は非常に小さく、これを検出することは長年にわたり極めて困難でした。

検証への道のり

レンズ・サーリング効果は理論的に予測されて以来、その存在を実験的あるいは観測的に確認することが大きな課題とされてきました。地球のような天体による慣性系の引きずりは極めて微弱な効果であり、他の様々な要因による摂動（予期せぬ小さな乱れ）の中に埋もれてしまうため、極めて高い精度での観測が求められたからです。

初期の観測的証拠

長年の検証の困難さを乗り越え、慣性系の引きずり効果の最初の明確な観測が報告されたのは2000年代に入ってからです。イグナツィオ・チウフォリーニとエラモ・パヴリスらの研究チームは、NASAが打ち上げた2機のレーザー測距衛星、LAGEOS（レーザー測距地球観測衛星）とLAGEOS2の精密な軌道データを分析しました。これらの衛星は、表面に反射鏡が多数取り付けられており、地上からのレーザー光を反射させて軌道を数ミリメートルという非常に高い精度で追跡することが可能です。チウフォリーニらは、11年間にわたる両衛星の軌道データを用いて、地球の回転が衛星の軌道面に与えるわずかな影響を調べました。その結果、衛星の軌道が一般相対性理論によって予測されるレンズ・サーリング効果の通り、年間およそ3メートル未満の距離だけ予測される方向へずれていくことが確認されたと2004年に発表しました。これは、慣性系の引きずり効果が実在することを示す重要な証拠となりました。

高精度な検証：Gravity Probe B

チウフォリーニらの成果に続き、慣性系の引きずり効果をさらに高精度に測定することを目的としたNASAの宇宙ミッション、グラビティ・プローブB (Gravity Probe B) が実施されました。グラビティ・プローブBは、極めて真球に近く、均質で、外部からの影響を最大限に排除した環境に置かれた超高精度なジャイロスコープ（回転儀）を搭載していました。このジャイロスコープの回転軸が、地球の重力によって引き起こされる時空の湾曲（測地線効果）と、地球の回転によって引き起こされる時空の引きずり（慣性系の引きずり）によってどのように向きを変えるかを測定するというのがミッションの主眼でした。2004年から開始された観測と、その後の詳細なデータ解析を経て、グラビティ・プローブBは2011年に最終結果を発表しました。この結果は、一般相対性理論が予測する慣性系の引きずり効果の大きさと、誤差の範囲内で一致しており、この現象の存在をさらに強く裏付けるものとなりました。

まとめ

慣性系の引きずりは、一般相対性理論が予測する非直観的な現象の一つであり、回転する質量体が周囲の時空構造に影響を与えることを示しています。アインシュタインによる初期の予見から、レンズ・サーリングによる詳細な計算、そしてLAGEOS衛星やGravity Probe Bミッションによる長年の精密な観測努力を経て、その実在が確認されました。この現象の理解は、ブラックホールのような強い重力を持つ回転天体や、宇宙論における時空の進化を考える上でも重要な意味を持っています。

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