重い物体の周り生まれる重力とは一体なんなのか?
重い物体の周り生まれる重力とは一体なんなのか? / Credit:depositphotos
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「重力はどうして最弱なのか?」「重いものと軽いものが同時に落ちる?」重力の性質は謎ばかり (2/3)

2021.01.27 Wednesday

2021.01.03 Sunday

Credit:重力とは何か アインシュタインから超弦理論へ、宇宙の謎に迫る (幻冬舎新書) https://www.amazon.co.jp/gp/product/B009CTXQT2/ref=as_li_tl?ie=UTF8&camp=247&creative=1211&creativeASIN=B009CTXQT2&linkCode=as2&tag=nazology-22&linkId=fe0d3d8ee9c866073063c7705d0153b5

なんで重いものと軽いものが同じ速度で落ちるの? 変じゃない?

重力の説明を聞いた際、軽いものと重いものの落ちる速度が一緒だと言われて、なんだか釈然としない気分を味わった人はいないでしょうか?

これはガリレオ・ガリレイがピサの斜塔で実験したという逸話が有名です。鉄の玉と木の玉を落としたところ、どちらも同じ速度で落下したと言われています。

ガリレオ・ガリレイ(左)とピサの斜塔(右)。
ガリレオ・ガリレイ(左)とピサの斜塔(右)。 / Credit:canva

羽根がゆっくり落ちるのは空気抵抗があるからで、真空で実験すれば鉄球と同時に落ちる、なんて説明も聞き覚えのある人が多いでしょう。

しかし、なぜそんなことになるのでしょうか?

たとえば、軽い子供なら簡単に抱き上げられますが、お相撲さんを抱き上げるというのはちょっとイメージできません。

それは子供とお相撲さんでは、地球に引っ張られている力が異っているからではないのでしょうか?

重力は重いものほど強く働いているのは明らかです。それなら、なぜ落ちる速度は重さに関係なくなるんでしょう?

軽いものと重いものかかっている重力の強さは同じなのに落下速度は同じになるのはなぜ?
軽いものと重いものかかっている重力の強さは同じなのに落下速度は同じになるのはなぜ? / Credit:canva

ここでポイントとなるのが「質量」と「重さ」の違いです。

学校でこの2つを習うとき、なぜか区別されていたことを覚えているでしょうか?

実はこの2つは値はピタリと一致しますが、表している性質は異なっています。

「質量」とは物体の「動かしにくさ」を表しています。一方、「重さ」とは物体が「重力に引かれる強さ」を表しています。

たとえば無重力空間の宇宙で、子供とお相撲さんがお互いに押しあったとしましょう。このとき2人はどのように動くでしょうか?

実はこの場合、子供は速く遠くへ飛ばされてしまいますが、お相撲さんはあまり位置を変えない、という結果になります。

無重力空間で軽い子供と重いお相撲さんが押しあえば、子供だけ大きく弾かれることになる。
無重力空間で軽い子供と重いお相撲さんが押しあえば、子供だけ大きく弾かれることになる。 / Credit:canva

それはお相撲さんの方が「質量」が大きい、つまり動かしにくいためです。逆に「質量」が小さい子供は動かしやすいので、簡単に加速がついて移動してしまうわけです。

一方「重さ」は「重力に引かれる強さ」です。重いものは強く重力に引かれます。

部屋の模様替えをするとき、軽い椅子なら簡単に持ち上がりますが、大きなタンスは容易に持ち上げることはできません。

では重いものと、軽いものを一緒に落とすとどうなるでしょう?

当然重いものは強く重力に引かれ、軽いものはあまり重力に引かれません。しかし、動きにくさの点で見ると、重いものは動きにくく、軽いものは簡単に動いてしまいます。

重いものと軽いものが同じ速度で落ちるというのは、この2つの性質がピタリと釣りあっているために起きている現象なのです。

重力の強さと動きにくさが釣り合って同じ値になっている。
重力の強さと動きにくさが釣り合って同じ値になっている。 / Credit:canva

精密な実験でも、「動かしにくさ」と「重力の強さ」という2つの作用は、なぜかぴったりでキャンセルされる関係にあります

このため、物質はすべて同じ速度で落ちることになるのです。そして「質量」と「重さ」は実質的に同じことになるので、区別して考える必要もなくなってしまうのです。

この2つの効果が一致していてキャンセルされてしまう不思議については、後にアインシュタインが答えを出すことになります。

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