重力

2014-08-20T10:13:45Z

113.146.45.236: /* 歴史 */

{{Otheruses|質量に働く力全般|質量間に働く引力|万有引力}}
'''重力'''（じゅうりょく）とは、
* 地球上で物体が地面に近寄っていく現象や、それを引き起こすとされる「[[力]]」を呼ぶための呼称<ref>デジタル大辞泉</ref>。人々が日々、物を持った時に感じているいわゆる「重さ」を作り出す原因のこと。
* 物体が他の物体に引きよせられる現象の呼称。および（その現象は《[[力]]》が引き起こしていると見なす場合の）その「[[力]]」に対する呼称。

[[英語]]の gravity （グラヴィティ）の頭文字を取って、俗に'''G'''（ジー）と略されることがある。ただし、物理学の専門書や教科書においては慣習として、地球の重力は小文字の'''g'''、[[万有引力定数]]は大文字の'''G'''というように区別される。

== 概説 ==
重力という表現は、[[宇宙論]]などの領域では[[万有引力]]と同一として扱われることがある<ref name='murakami'>{{Cite book|和書|chapter = 重力、重力異常|author = [[村田一郎]]|title = 世界大百科事典|year = 1988}}</ref>。

地球上のことについて論じている場合は、地球上の物体に対して働く地球の万有引力と地球自転による[[遠心力]]との合力を指している<ref name='murakami' />。また、[[人工衛星]]のように、地球の自転とは無関係な物体の運動について論じている場合は、遠心力の成分は除いて扱うことになる<ref name='murakami' />。

重力の大きさは、単位「[[ガル]] (Gal)」を用いて表すことができる<ref name='murakami' />。

地球上で[[質量]]が 1 [[キログラム|kg]] の物体に作用する重力の強さというのは約 9.8 [[ニュートン|N]] でほぼ一定である<ref name='murakami' />。だが、精密に調べてみると重力は地球上の場所により、あるいは時間によっても変化している<ref name='murakami' />。


==歴史==
重力や重さに関する議論というのは、古代ギリシャのしかも初期の段階から行われていた形跡があるという<ref name='yokoyama'>{{Cite book|和書|chapter=重力|author = [[横山雅彦]]|title = 哲学・思想事典|year = 1998}}</ref>。

影響力の大きかったのは[[アリストテレス]]である<ref name='yokoyama' />。彼は『[[自然学 (アリストテレス)|自然学]]』を著し、物の運動等についても体系的に論じた。彼の宇宙観では、天界と地上はまったく別世界であり、天体は[[エーテル]]でできていて、地上の物体は[[四大元素]]でできていると見なした。そして《重さ》と《軽さ》というのは、地上界にある物体に特有の一対の内在的な性質だと見なした<ref name='yokoyama' />。古代ギリシャでは、[[コスモス (宇宙観)|コスモス]]（[[世界]]、[[宇宙]]）の中心に地球があると考えられていたので、アリストテレスもそう考えていた（[[地球中心説]]）。アリストテレスにとって、物の落下するということはコスモスの中心へ接近することであり、上昇するということはコスモスの中心から離れてゆくことを意味した<ref name='yokoyama' />。《火元素》を含むものが《軽さ》を内在しており、地中から離れ天へと向かいたがり、石などには《土元素》が含まれており、《土元素》はコスモスの中心に帰りたがる性質を持っているのだ、とした。その《土元素》をより多く含んでいるものが、より大きな《重さ》を内在している、とした。またその速さについては、《土元素》を多く含むものが速く落ちる、とした。

[[Image:Ptolemaicsystem-small.png|thumb|right|200px|[[ペトルス・アピアヌス]]（[[:en:Petrus Apianus|Petrus Apianus]]）の''Cosmographia ''([[アントワープ]]、 1539年刊)に描かれた中世のコスモス像。アリストテレスの宇宙観の延長上にある。]]
ヨーロッパ中世の人々は、以下のように考えていた<ref name='yano'>{{Cite book|和書|author = [[矢野健太郎 (数学者)|矢野健太郎]]|year = 1991|title = アインシュタイン
|publisher = 講談社学術文庫|pages = 127–166頁|id = ISBN 06-158991-1}}</ref>。

{{Quotation|[[マーモット|地リス]]や[[鳥]]などの生き物がそれぞれ巣穴や巣という本来の位置を持っていて一時的に理由があってそこを離れることがあっても結局本来の位置に帰るように、物も、それぞれの性質に応じて本来の位置を持っている。たとえば[[石|小石]]はその本来の位置を地に持っている。[[炎|焔]]はその本来の位置を天上に持っている<ref name='yano' />。

例えば、小石を空中に投げれば、小石は本来の位置から離されることになり、小石は一旦は抵抗を示しながら上に上がるが、結局はできるだけ速やかに、その本来の位置である地に戻ってこようとする<ref name='yano' />。
}}

（太陽中心説というのは一応[[アリスタルコス]]も唱えていたとされるが<ref name='takahashi'>{{Cite book|和書|chapter=太陽中心説|author = [[高橋憲一]]|title = 哲学・思想事典|year = 1998}}</ref>）16世紀にヨーロッパで[[コペルニクス]]（1473 - 1543）によって[[太陽中心説]]が唱えられると、（それがすぐに受け入れられたわけではないが）もしこれを受け入れた場合、アリストテレス的な《重さ》《軽さ》の概念は根底から考え直さざるを得ない、ということになった<ref name='yokoyama' />。

コペルニクスは、重力というのは、各天体の部分部分が球形になりたがり一体化しようとする自然的な欲求だ、とした。一方《軽さ》というのは、重さの少ない物体が持つ“偶有的性質”だとされた<ref name='takahashi' />。

{{seealso|重力を説明する古典力学的理論}}

フランスの[[ルネ・デカルト|デカルト]]（1596年–1650年）は、著書において[[渦動説]]を展開し重力を説明した。世界には[[エーテル]]が満ちており、ちょうど渦に木切れが吸い寄せられるように、エーテルに渦が起きるとその[[渦]]の中心に物体は引き寄せられる、こうして物体は地球に引き寄せられる、と説明した。

ドイツの[[ヨハネス・ケプラー|ケプラー]]（1571年–1630年）は、重力というのは似たもの同士が引き合う力（引力）であり、この引力は潮の満ち引きという（月の変化の周期と連動する）現象から推察するに、地球と月との間にも作用している、と見なした<ref name='yokoyama' />。

[[ガリレオ・ガリレイ]]（ユリウス暦1564年–グレゴリオ暦1642年）は重さと落下の速さとは無関係であることを実験で見出した。

オランダの[[クリスティアーン・ホイヘンス|ホイヘンス]]（1629年–1695年）は1669年から1690年にかけてデカルトの渦動説を検討し精密化した。[[ゴットフリート・ライプニッツ|ライプニッツ]]も渦動説の流れを汲んだ理解をしていた。

[[アイザック・ニュートン]](1642 - 1727)は、天体の運動も地上の物体の運動もひとつの原理で説明できる、とする説（万有引力）を『[[自然哲学の数学的諸原理]]』で発表した。天界と地上の区別がとりはらわれており、宇宙全域の物体の運動を同一の原理で説明しており、地上のgravityというのも万有引力の一つの現れとされている。


また（上でも述べた）[[クリスティアン・ホイヘンス|ホイヘンス]]は、[[遠心力]]の公式を発見した。地球の[[自転]]はすでに明らかになっていたので、重力は万有引力そのものではなく、万有引力と地球の自転による遠心力との[[合力]]だということになった。

[[エルンスト・マッハ]](1838 - 1916)は、「[[慣性力]]は宇宙の全質量の作用として考えなければならない」<ref>{{Cite |和書 |author = マックス・ボルン|authorlink = マックス・ボルン|translator = 林一|title = アインシュタインの相対性理論|date = 1980| pages = 82|publisher = 東京図書 |ref = harv }}</ref>とした。例えば、回転するバケツの水面をへこませる[[慣性力]]についてマッハは、「[[慣性力]]はバケツが[[絶対空間]]に対してまわったから発生したのではなく、宇宙の物質が回転するバケツに、ある作用を及ぼした結果、発生した」<ref name='satoumatuda'>{{Cite |和書 |author = 佐藤文隆 |author2 = 松田卓也|title = 相対論的宇宙論 |date = 1981| pages = 232|publisher = 講談社 |ref = harv }}</ref>と考え、「バケツがまわることと、バケツを止めて宇宙をバケツのまわりに逆回転させることは同等である」<ref name='satoumatuda' />とした（[[マッハの原理]]）。

マッハの原理は、[[アルバート・アインシュタイン]]の[[一般相対性理論]]により体系化された。一般相対性理論によれば、万有引力も慣性の力も等価（[[等価原理]]）であり、共に、[[時空の歪み]]による[[測地線]]の変化である。ただ、万有引力と慣性の力とでは歪みの原因が異なるにすぎない。


[[アインシュタイン方程式]]からは、時空の歪みの源は質量ではなく、[[エネルギー]]と[[運動量]]からなる[[エネルギー・運動量テンソル]]で決まることがわかる。つまり、質量（エネルギーに比例）だけでなく運動量も時空を歪め、重力を生む。質量は引力を生むのに対し、運動量が生む重力は、引力でも斥力でもない[[慣性系の引きずり]]という形を取る。慣性系の引きずりは自転する[[ブラックホール]]である[[カー・ブラックホール]]で顕著である。{{要出典範囲|慣性力も、地球外の全宇宙による慣性系の引きずりで説明できるとの見方が強い|date=2011年3月}}。ただし、いまだ近似計算のみで、厳密な計算はなされていない。

[[素粒子物理学]]では、重力は自然界に働く[[4つの力]]のうちの一つとして扱われており、[[電磁気力]]、[[弱い力]]、[[強い力]]との統合が試みられている。だが、その試みがうまくいくのかどうか定かではない。なお、2010年に[[アムステルダム大学]]理論物理学院のエリック・ベルリンドにより、重力は存在しないという説も提唱された。

近年では、一般相対性理論での重力を[[量子化]]し、[[量子重力理論]]にしようとする試みもなされている。ここでの重力とは、万有引力に限らず、慣性の力なども含めた重力の意味である。量子化された重力は[[重力子]]と名づけられている。

==地球表面の重力値の相違と重力加速度==
概説で述べたように、同じ地球上でも場所によって重力の大きさ（重力値）が異なっている<ref name='murakami' />。それは以下のような理由からである。
* 測定点の[[標高]]が場所ごとに異なっていること<ref name='murakami' />
* 周囲の地形の影響が場所により異なっていること<ref name='murakami' />
* 地球が完全な[[球形]]ではなく、[[回転楕円体]]のような形状をしていること<ref name='murakami' />
* 自転による[[遠心力]]が[[緯度]]により異なっていること<ref name='murakami' />
* 地球の内部構造が一様ではないこと<ref name='murakami' />

高度が増加するとゆるやかに重力値が減少してゆくわけであるが、その減少の度合いというのは地表付近では1mあたり0.3086mGal（ミリガル）程度である<ref name='murakami' />。ただしこれも場所により1割程度の変動はある<ref name='murakami' />。

2番目の「地形の影響」というのは、険しい巨大な山岳などのふもとでは、山が上向きの引力（万有引力）を及ぼしていることなどを意味しており、山岳地帯ではこうした影響は数十mGalに達する<ref name='murakami' />。

5番目の地球の内部構造（地下構造）に起因する重力値の過大や過小を[[重力異常]]と言う<ref name='murakami' />。

単に重力加速度といった場合は、[[地球]]表面の重力加速度を意味することが多い。重力加速度の大きさは、[[緯度]]や[[高さ#地理|標高]]、さらに厳密に言えば場所によって異なる。

[[ジオイド]]上（標高0）の重力加速度は、[[赤道]]上では 9.7799 m/s2と最も小さくなり、[[北極]]、[[南極]]の極地では 9.83 m/s2と最も大きくなる。赤道と[[極圏|極地]]との差の主な理由は自転による遠心力であるが、自転以外にも[[地殻]]の[[岩石|岩盤]]の厚さ、種類、地球中心からの距離などによる影響も若干受ける。このため、重力を精密に測定し、標準的な重力と比較することで地殻の構造を推定することができる。測定手法には絶対重力測定と相対重力測定があり、日本では[[国土地理院]]が日本重力基準網として基準重力点を設定している。

[[国際度量衡会議]]では、定数として使える[[標準重力加速度]]の値を ''g'' = 9.80665 m/s2と定義している。

== 古典力学 ==
{{See also|重力を説明する古典力学的理論}}

{{出典の明記|date=2011年4月}}
[[File:Acceleration-due-to-Gravity-on-Earth.png|thumb|250px|地球における、重力のイメージ]]
[[古典力学]]で説明される重力とは、他の質量から受ける[[万有引力]]（以下「引力」）と、[[慣性力]]との[[合力]]である。

例えば、[[地球]]表面に存在する物体は、地軸のまわりを[[等速円運動]]しているため、地軸に対して垂直に、下記の[[慣性力]]（この場合、[[遠心力]]）を受けている。

　　　　　　　　遠心力＝質量×地軸までの距離×(角速度)2

したがって、実際に観測される重力は、引力と[[遠心力]]の[[合力]]となる。引力は、地球が[[球対称]]ではないため厳密にではないが、ほぼ地球の中心方向に向かう。それに対し重力は、[[遠心力]]が加わるため、地球の中心方向からやや[[赤道]]寄りに（[[北半球]]なら[[南]]寄りに）ずれ、大きさはやや小さくなる<ref>{{Cite |和書 |author = 朝永振一郎 ||authorlink = 朝永振一郎|title = 物理学読本|edition = 第2 |date = 1981| pages = 28|publisher = みすず書房 |isbn=4-622-02503-5|ref = harv }}</ref>。

慣性の力は[[座標系]]に依存するため、重力も座標系に依存する（引力は座標系に依存しない）。そして、基準となる座標系は時と場合により異なる。通常は地球の自転と共に動く[[回転系]]で考えるが、[[乗り物]]の中などでは乗り物の座標系で考えることもある。たとえば乗り物に乗って「Gがかかる」とか「重力がかかる」といった場合は、乗り物の座標系で考えている{{要出典|date=2011-8}}。

一方、[[天文学]]や[[宇宙開発]]では、[[宇宙空間]]のことは適当な[[慣性系]]で考えることが多い。すると、慣性の力は存在しないので、重力という言葉を引力と同じ意味で使うことになる。たとえば[[人工衛星]]の運動を絶対座標で説明すると、「重力（= 引力）が[[向心力]]となって[[回転運動]]をしている」となる。あるいは、暗黙のうちに[[極座標系]]で考え、「重力（= 引力）と遠心力がつりあっている」となる（極座標で考えているので、地球との距離が変わらない状態が釣り合いである。また、ここで言う遠心力とは慣性力ではなく、座標系が[[直交座標系]]でないことによる[[見かけの力]]である）。一方、人工衛星の座標系で考えれば、引力と遠心力（慣性力）が釣り合っており、その合力である重力は[[0|ゼロ]]、つまり[[無重力]]である。しかし重力がゼロかどうかは、このように座標系によるので、無重力と言う言葉を避け「無重量」と言うこともある{{要出典|date=2011-8}}。

== 相対性理論 ==
{{出典の明記|date=2011年4月}}
{{main|重力加速度|重力場}}

{{要出典範囲|相対性理論においては、重力は質量に比例する力なので、その[[比例定数]]は[[加速度]]の次元を持つ。これが[[重力加速度]]である。重力以外の力がないときは（[[自由落下]]）、あらゆる物体は、質量その他の属性にかかわらず、重力により重力加速度に等しい加速度を受ける。これが[[落体の法則]]である。|date=2011-8}}

{{要出典範囲|[[空間]]の各点における重力加速度は、[[重力場]]を構成する|date=2011-8}}。

[[一般相対性理論]]の立場からは、重力場は時空の歪みそのものである。より正確に表現すれば、「重力場が四次元時空多様体の曲率によってあらわされる」<ref>{{Cite |和書|author = ペーター・G・ベルグマン |translator = 谷川安孝|title = 重力の謎　一般相対性理論入門 |date =1981| pages = 163|publisher = 講談社 |ref = harv }}</ref>ということになる。

== 主要な天体の重力加速度 ==
{{出典の明記|section=1|date=2011年4月}}
地球での重力加速度を 1 とした場合の、[[太陽系]]内の各天体表面での重力加速度の大きさは以下の通り。
{|class="wikitable"
| [[太陽]] || 27.9
|-
| [[水星]] || 0.376
|-
| [[金星]] || 0.903
|-
| [[地球]] || 1
|-
| [[月]] || 0.165
|-
| [[火星]] || 0.38
|-
| [[木星]] || 2.34
|-
| [[土星]] || 1.16
|-
| [[天王星]] || 1.15
|-
| [[海王星]] || 1.19
|}
注 : 気体が大部分を占める[[木星型惑星]]については、大気の最上層部を「表面」とした。

== 出典・脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 関連項目 ==
{{Wiktionary|重力}}
{{Commonscat|Gravitation}}
* [[重力を説明する古典力学的理論]]
* [[:en:Earth's gravity]]（[[地球の重力]]）
* [[:en:Standard gravity]]（[[標準重力]]）
* [[自由落下]]
* [[重力加速度]]
* [[加速度]]
* [[質量]]（[[重力質量]]）
* [[重さ]]（重量）
* [[重力ポテンシャル]]（[[位置エネルギー]]・[[ポテンシャル]]）
* [[重力圏]]
* [[重力異常]]
* [[重力単位系]]
* [[重力式コンクリートダム]]・[[重力式アーチダム]]
* [[重力波 (流体力学)]]
* [[潮汐力]]
* [[無重量状態]]
* [[反重力]]
* [[万有引力]]およびその関連用語
** [[一般相対性理論]]（[[重力崩壊]]・[[重力波 (相対論)]]・[[重力子]]・[[重力レンズ]]）
** [[統一場理論]]（[[超重力理論]]・[[量子重力理論]]・[[ループ量子重力理論]]）

{{DEFAULTSORT:しゆうりよく}}
[[Category:重力|*]]
[[Category:力学]]

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