相対性理論
等価原理
加速する座標系内での自由物体の運動と一様重力場での運動を比較し、局所的には二つの記述が区別できないこと — 一般相対論の核心である等価原理 — を確かめます。
器具
- 3D キャンバス：加速するエレベーターと質量近傍の歪んだ格子
- スライダー「accelerating frame」（座標系の加速度）
- スライダー「時間速度」と一時停止ボタン
手順
加速系で物体を放す
「accelerating frame」スライダーで適度な加速度を設定し、エレベーター内の自由物体の軌道を見ます。加速系では物体は加速度 で落ちて見え、一様重力場 に引かれるのとまったく同じです。局所実験では区別できません。
加速度を重力と対応させる
加速度を上下させ、質量近傍の歪んだ格子の図と比較します。エレベーター内の見かけの落下が重力場での自由落下を再現するスライダー位置を見つけ、 を確認します。
局所性の限界を探る
等価性を崩すものを考えます。広い領域では潮汐効果 — 場所による g の変化 — が本物の重力を示します。モデルを止め、等価原理が十分小さい近傍でのみ成り立ち、曲がった時空の重力の萌芽である理由を説明しましょう。
シミュレーション
実験の歴史
アインシュタインはこの考えを「人生で最も幸福な考え」と呼びました。1907年、自由落下する人は重力を感じないことに気づき、一様重力場は座標系の変換で打ち消せる — あるいは模倣できる — と悟ったのです。これに基づくエレベーターやロケットの思考実験は、8年の仕事を経て1915年11月に発表された一般相対論の場の方程式へ導きました。
この原理には精密な実験の系譜があります。ガリレオの伝説的な落下体比較とニュートンの振り子実験は慣性質量と重力質量の一致をすでに示し、1880年代からのロランド・エトヴェシュのねじり秤測定は等価性を 分の1まで検証し、MICROSCOPE 衛星（2016年）は に達しました。