一般相対性理論(等価原理）の錯誤　　 副題　光は重力の影響を受けない

　既成の科学概念を打破するところから、新しい発展と新理論の展開が期待できる。1916年に「一般相対性理論」が発表されてから、検証されてながら104年が経過した。そこで、改めて、既存概念を再考察すべきと吾輩は考える。 そこで、今回は、「等価原理における光と重力」を取り上げる。そのために、「光の媒質の屈折現象」から論じて、「空間が重力で曲げられる」という「等価原理」が錯誤理論である立証をする。「光が重力で曲げられる」との主張にも反論する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2020.11.08

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　さいたま市桜区

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　理論物理研究者　田村　司

はじめに

物理を考えるとき、本質や定義を把握しないととんでもない錯誤に陥る。例えば、2進法、10進法、12進法。60進法が分かり易い例だと思う。どのような条件で定義が構成され、本質はなにかを把握することが肝要である。

今回論点は、力の大統一という物理学の悲願であるが、重力と電磁場を統一した力と定義する試み（等価原理）は錯誤の仮説であると考えられる。吾輩は重力と電磁場は別々の力であり、同一に論じることはできない。重力は「質量」に働く力と定義付けできるものと考える。そこで初めて、重力質量と慣性質量を等価と判断できる。質量「０」には、重力（万有引力）も慣性力も働かないものと断言する。その根拠を光の特質と現象面から論証する。そこでアインシュタインの論拠としたのは、直進する光は、重力で曲がった空間を直進するためと主張。

特殊相対性理論の仮説を仮定の式（ローレンツ変換式）で証明する愚行である。

一般相対性理論の仮説に別次元の光電効果の光子で証明する愚行をしている。つまり、光は粒子である。粒子であるから、重力に影響を受けて、光粒子にまで、慣性の法則が成り立ち、重力質量と慣性質量が同等である（等価原理）と論じている。しかし、質量０であるものまで重力が働かないとの批判から、重力は空間を曲げるという理論展開に至るのである。

地球には重力がある。

光と重力のは姿を見ることができない。その存在は現象面から想像することになる。その力の姿をみることができない。

難しい命題であるが、表題の副題「光は重力の影響を受けない」の解説をする。

　　二日酔いで頭が重い、体重が増えて、体が重い、仕事で気が重い、責任が重い、「重」の語彙の用途は多々ある。最近、怠慢から体重が増えて、減量のためウウォーキングをしている。ウォーキングをしながら、思考を働かせて、一般相対性理論の反証の推敲が完成しました。

イギリス人は歩きながら考える
フランス人は考え終わると走り出す
スペイン人は走り終わってから考える
ドイツ人はみんなが走り始めると走り出す
イタリヤ人は情熱で走り出す
ロシア人はウオッカのために走り出す

（出典カイト・カフェより）

推敲しながら、永遠の5歳児チコちゃんの「ぼーと生きてんじゃない（Don’t sleep through life.)」調で、文章を作成しようかな？と考えた。

もしかしたら、こうなんじゃないか劇場風に創った。NOTEの読者増強のため、吾輩は至って真面目である。

　さて今回の命題の「重力」に焦点を戻そう。

　　　　　　　　　　　　　　

１、こうなんじゃないか劇場、一幕（経緯編）

⑴、ノーベル受賞で有頂天のアインシュタインの思い上がり（一部再掲載）

1905に特殊相対性理論が発表された。

当時の物理学者の中にも特殊相対性理論には検証性がないというクレームを指摘し続けた人もいた。

たとえば、スウェーデンのアルバール・グルストランドは1911年にノベル医学賞を得た医学者だが、彼はこのとき物理学賞の委員でもあった。

この人の強硬な意見によってアインシュタインの受賞が1921年度（実際は1922年）まで遅れ、しかも受賞対象が相対性理論ではなく、「光電効果」となった経緯がある。これだけ、当時から検証性がない仮説にすぎなかったのである。

1908年にヘルマン・ミンコフスキーが発表した「擬ユークリッド4次元空間（ミンコフスキー空間）」の数学的美しさと理論的分析の透明さによって、特殊相対性理論に対する信頼感は圧倒的に高まったとされている。

一方、この理論を実験的に直接検証できる見込みがなかったのも事実である。

⑵、重力観測の経緯概要

1916年に一般相対性理論を発表した。

1919年にエディントン達は太陽の周りに見える星の位置がずれていることを確かめた（皆既日食観測）。

（出典：『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1　p73）

1936年、Ｒ・Ｗ・マンドル（チェコスロバキアの電気技師）が「重力レンズ」の可能性を手紙でアインシュタインに示唆。

（出典：ニュートン別冊『宇宙150億光年の旅』2000.4.10　発行）p38）

1960年メスバウアー効果を用いて、ハーバード大学のＲ・Ｖ・バウンドとＧ・ Ａ・レブカは地上の重力赤方偏移を測った。

（出典：『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1　p73）

２、こうなんじゃないか劇場、二幕（事実確認編）

⑴、地球上の重力とは

重力とは、地球上の物体が地球から受ける引力で、物体の重さの原因となっている力。

地球の万有引力と地球自転による遠心力との合力である。

遠心力には慣性力が働く。つまりベクトルで表すことのできる加速度が働く。

加速度の働く慣性力は重力と同じ作用が働く。

故に、その両者の合計が地球の重力となる。

地球の重力＝万有引力＋慣性力（遠心力）

⑵、重力の創り出す現象の圧力

重力の働く気体は中心に引き寄せられるが、気体には圧力がかかった状態となり、当然、気体の密度もかわる。光の屈折率も変わるのである。

参考（蘊蓄）です。さらっと読み流し推奨。

パスカルの定理などの発見でも知られているフランスの哲学者、物理学者のブレーズ・パスカル（1623～1662）の名言には「人間は自然のうちで最も弱い一本の葦にすぎない。しかし、それは考える葦である」

　パスカル ( pascal、記号: Pa) は、圧力・応力の単位で、国際単位系 (SI) における、固有の名称を持つSI単位である。「ニュートン毎平方メートル」とも呼ばれる。1パスカルは、1平方メートル (m2) の面積につき1ニュートン(N) の力が作用する圧力または応力と定義。1㎩＝１㎏／ｍ×S²で表される。

1ニュートンは、1キログラムの質量をもつ物体に1メートル毎秒毎秒(m/s2) の加速度を生じさせる力と定義される。運動の第2法則はF = maとし、Fが力、mが質量、aが加速度である。単位で表すと以下のようになる。つまり、基本単位で書き表すと N =㎩＝ kg·m/s2 （キログラムメートル毎秒毎秒）となる。時間の定義・キログラムの定義は以前の「時間とキログラムの定義の解説」をご参照下さい。

　重量が重力によって2つの物体の間に働く力と定義されているので、ニュートン（N）はまた重量 kgf、又はkgw ）の単位でもある。地球表面において質量1キログラムの物体の重量（kgf、又はkgw）は約9.81ニュートンである（場所によって10分の数パーセント異なる）。この値が1重量キログラム (kgf) である。

⑶、重力質量と慣性質量

重力質量と慣性質量はアインシュタインの「等価原理」に従えば同等である。

　重力も慣性力も何に働く力かというと、つまり、「質量に働く力」である。

質量が「０」の光粒子には、重力、慣性力などの影響も受けないことになる。

下の図のような光の進路はない。

（出典：『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1　p73）

　

⑷、重力と空間

質量０の光粒子は重力で曲がらないとの物理学者から批評を受け、次からは重力は空間を歪めると主張。

だから光はまっすぐ進む（直進）が、空間が曲がっているので、光の直進もまがると主張。

「曲面や歪んだ空間の図形を探求する」のが擬ユークリッド幾何学やミンコフスキー空間で「重力による曲面空間」を解説。

そして、「重力は空間を曲げる説」の正当性が主張された。

現在も「光は重力により曲がる」との論評が散見される。

（出典：『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1　p73）

３、こうなんじゃないか劇場、三幕（証拠編）

⑴、物的証拠

光（電磁波）の特性、性質、物質との相互作用

　質量について　　光の質量　ｍ＝０　

⑵、光の媒体との性質

　光が「ある媒質」から「別の媒質」に入射した場合に

　　光の振動数は変わらず、どの媒質中でも同じ

　　屈折率ǹの媒質中の中での波長はλ₀/ｎとなる。

よって屈折率ｎの媒質中の光速ｃは、真空中での光速をｃ₀とすると

　　　　　　　ｃ＝ⅽ₀/ｎ　

　　つまり、媒質中の光速＝真空中の光速÷屈折率

　⑶、電磁波と個体又は液体との相互作用

　　

　物質は原子の集合である。原子をプラスの電荷をもつ核とそれを囲むマイナス電荷をもつ電子雲で構成されるものと考える。

電場が周期的に作用すると原子核と電子雲が釣り合いの位置から変化することによって誘電分極が生じ、それが周期的に振動する。

この作用によって電磁波のエネルギーが原子振動などの内部エネルギーに変換され、物質が電磁波を吸収する。逆に内部エネルギーが電磁波のエネルギーに変換され物体が電磁波を放射する。同様の電磁波と物質の相互作用はイオンや分子で構成される固体の格子振動や液体の分子運動でも発生する。格子振動（こうししんどう、英語：lattice vibration）は、結晶中の原子（格子）の振動のこと。振動の駆動力は熱であるが、絶対零度においても、不確定性原理から原子（格子）は振動している（零点振動）。 格子振動は、熱伝導の原因の一つであり、比熱とも関係が深い。

　⑷、電磁波に対する物質の一般的性質

　　

　　　電磁波の振動数があ大きいとき、又は波長が短いときは物質の電子と原子核が電場の変化に応答しないために、電磁波は物体を透過して屈折率ｎ＝１、ｋ→０となる。Ｘ線やγ線が物体を透過するのはこのためである。

　原子は、束縛電子の遷移に起因する共振振動数近傍で電磁波の吸収が起こる。この波長は紫外線領域に相当する。さらに波長が長くなり束縛電子の共振振動数を外れると、物体は再び電磁波を透過するようになる。

ガラス や水などの物質ではこの領域の電磁波が可視光に相当する。さらに波長が長くなると、電磁波は物体を構成する分子の格子の固有振動に当たる共振振動によって電磁波の吸収が起きる。多くの物質では、赤外線がこの吸収領域に相当する。この領域の電磁波に対して物質は不透明である。

共振振動数近傍では、電磁波のエネルギーは物質の内部エネルギーに変換され急激に減衰する。共振振動数から離れた振動数の電磁波は、物質内で減衰されないので透過する。さらに波長が長くなり図１に示した電波の領域では物質は再び透過性を示す。

　図1.5（出典：円山重直『光エネルギー工学』養賢堂より）

水などの極性のある物質では、マイクロ波領域の電磁波に対してデバイ緩和による吸収領域がある。水などのように分子の電子分布が不均一な極性分子の液体では分子自体に分極が存在し、振動数の比較的小さい電磁波によって分子が回転する。この運動がまわりの液体分子と相互作用を及ぼし内部エネルギーに変換される（デバイ緩和）。デバイ緩和は水などの液体やあまり低温でない氷、極性分子を含む液体でも起こる。デバイ緩和はマイクロ波領域で起こることが多い。この領域の電磁波が作用すると物質内で電磁波が減衰し、液体は加熱される。水を含む食品にマイクロ波を照射して加熱するのが電子レンジである。極性分子でも非常に波長の長い電磁波に対しては吸収係数が再び減少する。この領域の極長波は水中を減衰せずに伝播するので潜水艦と航空機との通信にも使用されることがある。

　⑸、　電磁波とガスとの相互作用

Ｎ₂や０₂などのように同一2原子で構成され、極性を持たないガスは、可視光より長い波長の電磁波を吸収しない。これらの分子の共振振動数は、一般に紫外域にあり、電子の軌道遷移の波長に相当する。

恒星の光が地球に到着して観測できたことは以上のような電磁波とガスとの相互作用はなく、光が透過するガスであると推定できる。

　⑹、光の屈折率

　①　逃げ水と浮き船

　　逃げ水とは

真夏の日中、直射日光をうけて地面、特に熱容量の小さいコンクリートやアスファルトの面のあるいは砂漠の表面等、が熱せられと、地面に接する空気が高熱希薄になり、地面から離れるにつれて空気の温度が下がって大気密度が上がる。ところが大気の屈折率はμ＝１＋⊿ｎとして⊿ｎは小さくて密度にほぼ比例している（ゴールドストーン=デイルの法則）。そのため鉛直上向きに屈折率がおおきくなっる。この屈折による結果、離れた位置いある目で見たときに、実際ある位置の物体があたかも地面の底の方に見える。とくに、物体がなければ、空が地面に映って見える。これは遠くから見ると地面に水があるように見えるが、近づいてもそれにつれて遠ざかるので、逃げ水とよばれる。蜃気楼の一種である。

　　浮き船とは

海面上で、海面に接する空気が冷やされて屈折率が大きくなり、上空が暖かくて屈折率が小さい場合には、光線は上に凸に曲げられ、

そのため遠くの海上の物体が持ち上げられて見える。これを浮き船という。この現象は日本では富山湾の魚津で3月から5月にかけて時たま見られる。アルプスの冷たい雪解け水が富山湾に流れ込み、それが真水のため海水より比重が小さくて海面に分布して海面に接する空気えお冷やし、他方、その上空の空気は太陽光によって暖められ、海面上の大気に温度勾配ができるためと考えられている。

　⑺、天体からの光の大気中での屈折

大気の屈折率と真空の屈折率の差はほぼ大気密度に比例している。鉛直線とある角度をなして大気層に入射した光線はわずかに湾曲して（弧を描いて）地表に到着する。天体からの光線の大気による屈折の角度を与え、大気差と呼ばれている。

　⑻、球対称な媒質中での光線の屈折

系が球対称（点対称）で屈折率が　

　　　　μ・（✕²＋Ｙ²＋Ｚ²）½＝μ（｜ベクトルｒ｜）

の形をしている場合を考える。

地球を取り巻く大気による光の屈折が近似的にこの条件を満たしていると考えられる。というのも大気密度は近似的には地球の中心からの距離とともに減少してゆきそれと伴って屈折率も１に近づいてゆく。方向（緯度や軽度）にはあまり依存しない。

　⑼、光の2重性

　光は波動性と粒子性の両面を示す。これを光の2重性という。

といあえず、光の2重性を「光は空間を波として伝わり、物質によって放出・吸収されるときは粒子として振舞う。」

４、こうなんじゃないか劇場、四幕（反証編）

これへの反論をする。

反証理由　

⑴、質量「０」に重力質量、慣性質量は作用しない。故に、光が重力に曲がることはない。

⑵、重力は空間を曲げるという観測を否定する。観測の原因は物質中を伝播する光の特性の一つ「屈折」が原因である。

①、ガラスの凸レンズで光は屈折して光はレンズで屈折する。

②、太陽の重力に引き寄せられているガスの濃度は中心から遠ざかるに従い濃度が薄くなる。（皆既日食観測に対する反証）

太陽の大気組成はほとんどが、表面が、水素70％ヘリウム28％　であり、　中　心部分は、水素35％ヘリウム63％とされている。

光球面の上には大量のガスとプラズマがある。多くの場合、光球面という言葉は太陽の表面という意味。光球面は地球に必要な可視光を放出するが、そのほかに紫外線も放出している。太陽の中心に行くほど太陽を取り巻く気体（水素70％ヘリウム28％　）の密度が増す。密度は増すほど屈折率が大きくなる。光に重力が直接的に影響したのではなく、重力により質量のある気体の密度が増して、屈折率が増加し、光は曲がった（屈折した）のである。

⑶、宇宙全体から俯瞰した場合の電磁波（マイクロ波）への重力の影響 を宇宙背景放射で考察した結果

　地球に届くマイクロ波に重力による影響の痕跡、歪みの観測はない。

（出典：ニュートン2007.6『天文学１１の革命』　p53　）

⑷、ガンマ線、と重力の影響

メスバウアー効果を用いた重力赤方偏移実験の観測。

（出典：『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1　p107）

実験図は上記の図の通りである。ガンマ線放射源としてはコバルトの放射性同位体　　⁵⁷Coを用いた。　⁵⁷Coは軌道電子を捕獲して自然崩壊し、⁵⁷Feに変わる。この⁵⁷Feは励起状態にあり、14.4KeV（キロ電子ボルト）のガンマ線を放出して普通の鉄になる。

メスバウアー効果とは、原子核が自由に動ける場合にはガンマ線が飛び出した反作用によって原子核が反跳を受けるため、ガンマ線のエネルギーは励起状態と基底状態のエネルギー差とは違ってくる。すなわち、放出されたガンマ線は、そのエネルギーに対応する運動量を持っている。作用・反作用の法則これが反跳である。故に自由に動ける原子核同士の間では一般に共鳴吸収が起こらない。しかし、原子核が結晶中に強く束縛されていると、結晶全体で反跳を受け止める。このため反跳の影響が無視できる。これが無反跳核共鳴吸収（メスバウアー効果）である。

・ガンマ線の特徴と物質（原子核）への影響

この電磁波は原子核にも直接作用する。ガンマ線は放射性同位元素や高エネルギー加速器から放射される。その光子のエネルギーは１GeVにも達する。

当実験の問題点は地上から22・5メートルの塔は真空であったか否かである。

真空にした記録なし。「塔」には空気があった。

当然、ガンマ線のエネルギーの減衰により、波長が伸びて、赤方偏移の結果になったと想定される。重力による赤方偏移ではない。

⑸、「重力レンズ」といわれるものの正体

これは　銀河系の水素ガス分布が重力作用でガス濃度を作り出し、結果、屈折率の違いから創りだした芸術である。重力が光を曲げたのではない。

（出典：ニュートン2007.6『天文学１１の革命』　p42~43　）

　　「銀河団の巨大な重力場によるとされる湾曲した渦巻き銀河の図」は銀河に存在する水素70％ヘリウム28％が重力により濃度差を作り、強いては屈折率を生み出し、宇宙に広大な芸術作品を創りだしたものである。

（出典：ニュートン別冊『宇宙150億光年の旅』2000.4.10　発行）p38）

重力は空間を曲げるから直進する光も曲がるとの主張もされましたが、前述したように、重力により曲がることもなく本来は直進すべきものが、屈折によりまがるのであるから、重力により空間が曲がることの根拠も喪失したものとなる。

５、こうなんじゃないか劇場、五幕（結論編）

重力が直接的に質量０の電磁波（光）に作用するものではなく、物質（大気）が重力の作用で密度の差を生み出し、その大気の濃度が光の屈折率を生み、それで光は屈折するのである。電磁波（光）が原子核、電子との相互作用により生み出されるものである。

参考文献　

窪田登司著　『アインシュタインの相対性理論は間違っていた』徳間書店　1993.10.31　p212　　

木幡赳夫他8名著　『最新　アインシュタイン論』学研　1989.12．1

安東正樹著　『重力波とは何か』　講談社　2016.9.14　1刷発行　　

高橋真理子著　『重力波　発見！』　新潮社　2017.9.20　p168　　　

大槻義彦・大場一郎著『物理学事典』　講談社　　　　　　p326　

円山重直著　『光エネルギ工学』養賢堂　2004.4.30　1版発行　p172、ｐ178

竹内淳著　『光とレンズ』講談社　2016.5.20　第1刷発行　p156～157