皆神先生に聞いた！ 「重力波の観測」ってどのくらいすごいこと!?
2016年2月12日、アメリカの研究チームが史上初「重力波の観測に成功した」と発表しました。「100年越しの快挙！」「ノーベル賞確実！」などの報道がなされましたが、そもそも「重力波」とは何で、今回の観測はどれほどすごいことなのでしょうか？
『と学会』運営委員にして日本最強のデバンカー・皆神龍太郎さんにお話を伺いました。
■重力波は一般相対論から予測されていた！
――話題になっている「重力波」について知りたいのですが。
皆神さん 踏み込んで話すとけっこう大変というお題ですね(笑)。まず、アルベルト・アインシュタインの相対論(相対性理論)の話からしないといけません。
相対論には、特殊相対論(特殊相対性理論)、一般相対論(一般相対性理論)の二つがあります。特殊相対論は1905年、一般相対論はその約10年後に論文として発表されました。
特殊相対論の方は「E = mc²」という式が一般によく知られているように質量がエネルギーに転化するとか、早く走ると物が縮むとか、時間がゆっくり流れるとかいろいろ不思議な効果が有名ですよね。今回のお題の「重力波」はもうひとつの一般相対論の方から導かれたものです。
――なるほど。
皆神さん 一般相対論は、その名のとおり特殊相対論を拡張してより普遍的な理論に昇華すべく生み出されたものです。でも、正確にいえば重力の理論なんです。最も有名なのは、いわゆる「アインシュタイン方程式」といわれる「重力場の方程式」です。アインシュタインのすごみは、自分の哲学というかイマジネーションによって一撃でこの方程式を書き下したことです。
この方程式からは、質量があると周囲の時空がゆがんで重力が発生するということ、光が曲がること、ブラックホールが存在するかもしれないこと、といった予測ができました。その予測の一つが「重力波というものがあるかも？」だったのです。
――なるほど。重力波とは何なのでしょうか？
皆神さん 大きな質量のものが加速度運動をすると周りの時空にゆがみが生じてそれが波となって伝わっていきます。これが重力波です。
――どのようなものをイメージすればいいでしょうか？
皆神さん そうですね……。例えば、寒天で満たされたプールがあって、その真ん中にボウリングの玉があると想像してみてください。ボウリングの玉は、ブラックホールなどの「加速度運動をしている質量の大きな何か」のイメージです。
ボウリングの玉を揺らすとその揺れは寒天を伝わってプルプルと周囲に広がっていきますね。この揺れが重力波のイメージです。重力波は「時空」を揺らしながら「光の速さ」でどこまでも伝わります。
■「重力波の直接観測」は非常に困難！ 今回の観測は機器の精度が勝因！
――重力波はどこまでも伝わるのですか？
皆神さん 無限に遠方まで伝わります。ただし、重力波はすごく弱いものなのです。ですからその観測は非常に困難です。
――確かに、「重力波の観測は事実上不可能」なんていわれたこともあるようですね。
皆神さん 今回重力波の観測に成功した「LIGO(ライゴ)」は一辺が4kmもあるＬ字形をした観測施設です。中が真空のＬ字形のパイプのようになっていて、Ｌ字の二つの端には鏡が設置されています。Ｌ字の真ん中に分光器があって、ここにレーザーを照射して、Ｌ字の端に置かれた鏡に向かって光を飛ばします。光は鏡に反射して二方向から戻ってきます。
重力波は時空をゆがめますので、光の進み具合に影響します。つまり、普通なら同時に光が戻ってくるはずなのですが、光の到着に差があると光の干渉縞がずれるので重力波の影響が出たと分かる、という仕組みです。重力波が届いたのを光の進行のずれによって検出するわけです。
――一辺4kmというのは巨大ですね。
皆神さん それぐらい大きくないと検出できないのです。しかも、それで検出するのが、長さ4kmに対して陽子1000分の1個以下のゆがみです。非常に小さなゆがみで、何か別の原因でも起こりそうですから、ノイズを打ち消して確かに重力波だと検証するのが大変だと思います。実際、今回の発表まで「検証に数カ月」をかけたそうですが……。
――そうすると、今回の成果は観測機器の精度の成果といってもいいのでしょうか。
皆神さん そういう面が大きいです。欧州宇宙機関の「LISA」、日本の「KAGRA(カグラ)」も重力波を検出しようという計画ですが、その観測機器には非常に高い精度が求められると思います。
■今回の成果はノーベル賞確実!? アインシュタインの理論から100年！
――今回の「重力波の観測」について、ノーベル賞確実！ なんて話もありますがどうなのでしょうか？
皆神さん 実は、重力波の検証についてはすでに1993年にジョセフ・テイラーとラッセル・ハルスという二人の科学者にノーベル賞が出ています。
――えっ！ そうなんですか？
皆神さん ただ、あくまで連星系パルサーが失っていると思われるエネルギーを、一般相対論に従って計算をした重力波が運び去ったとされるエネルギーと等しい、ということを示したという「間接的」な証明でした。
今回は、重力波そのものを捉えているので、観測されたのが本当に重力波なら間違いなくノーベル賞でしょう。
――ありがとうございました。
アインシュタインが『一般相対性理論の基礎』という論文を発表したのが1916年のこと。理論から100年たって実際に重力波の存在が観測によって確認されたというわけです。これは盛り上がらざるを得ませんね。2016年のノーベル賞の発表が待たれます。
※……アルベルト・アインシュタインは1914年に『一般相対性理論および重力論の草案』、1915年に『水星の近日点の移動に対する一般相対性理論による説明』という論文を発表しています
(高橋モータース＠ｄｃｐ)
