万有引力の法則

木からリンゴを落とすと、まっすぐ地面に落ちます。地球がリンゴを下へ強く引っぱっているからです。ところが実は、リンゴも地球を同じ大きさの力で引っぱっています。地球がリンゴよりけた違いに重いので、地球が引き寄せられる様子がまったく見えないだけなんです。

夜空に浮かぶ月も、これと同じしくみで動いています。月はもともと、宇宙のはるか遠くへまっすぐ飛んでいこうとする性質をもっています。でも地球が、見えない巨大なひもで月をずっと引っぱり続けています。そのおかげで月は宇宙へ飛び出さず、地球のまわりをぐるりと回っているのです。

リンゴが地面に落ちることと、月が空に浮かんで軌道を回ることは、まったく同じ原理です。アイザック・ニュートンは、宇宙のすべての物体がおたがいを引きつけ合うというひとつのシンプルな原理で、地上の物理と天上の物理をひとつにまとめあげました。

それまで人々は、空の星の動く法則と、地上の物が動く法則はまったく別ものだと信じていました。万有引力の発見によって、宇宙全体がひとつの同じ秩序の中で動いているのだと、ようやく気づけたのです。

物体どうしが引き合う力の大きさは、たった2つの条件だけで決まります。物体がもつ固有の量である質量と、物体のあいだの距離です。

ひとつめは、物体の質量が大きいほど、引き合う力が強くなること。実はこの文章を読んでいるあなたと、そばにある机のあいだにも、引き合う力は確かに存在します。ただ、人の体や机の質量は地球全体にくらべるとあまりに小さいので、その力をまったく感じないだけなんです。

ふたつめは、2つの物体の距離が離れると、引く力が想像以上の速さで弱まること。距離が2倍になると、力は半分になるのではなく、距離の2乗に反比例して4分の1にガクンと落ちます。距離が3倍になれば、力は9分の1になります。

この「距離の2乗に反比例する」性質のおかげで、太陽系の数多くの惑星は、それぞれ決まった軌道を安定して保てるのです。太陽からずっと遠い惑星は、太陽に引かれる力がとても弱いのでゆっくり回り、太陽に近い惑星は強い力に引かれて、とても速く太陽のまわりを回ります。

ふだんの会話では、万有引力と「重力」という言葉をほとんど同じ意味で使っています。もう少し正確にいうと、地球の上で私たちが毎日感じている重力は、純粋な万有引力に、地球が回転することで生まれる遠心力がほんの少し混ざった、最終的な力です。重さと質量もよく混同されますが、重さは質量に重力がはたらいて現れる力なので場所によって変わります。いっぽう質量は、どこでも変わりません。

また、ニュートンの法則はリンゴの落下や人工衛星の軌道を計算するときにはとてもよく当てはまりますが、現代物理学では説明の枠組みがもう一段広がっています。アインシュタインは、重力を「見えない手が物体を直接引っぱる力」とは考えませんでした。

アインシュタインの説明によると、重力とは、質量をもつ物体が時空をぐにゃりとへこませることで生まれる曲面です。ぴんと張ったゴムの膜の上に重い鉄球をのせると、まわりがへこんで、そばに置いた小さな玉が自然に転がり落ちていくのと同じです。ただし、ゴム膜の上の玉が転がり落ちるのは、すでに重力があるからなので、完璧な説明ではありません。実際には、空間だけでなく時間の流れもいっしょに曲がる、という点が肝心です。

現代の科学では重力を時空のゆがみとして説明しますが、光の速さに近いほど速い場合や、ブラックホールのように極端に重い場合でなければ、つまりふつうの環境であれば、ニュートンの万有引力の法則だけでも、自然の動きをおどろくほど正確に計算できます。