宇宙をつくる不思議な力、重力！「負の質量」と人工重力の研究って何？

宇宙にはたくさんの星や銀河がありますが、これらが形を作るのは「重力」という力のおかげです。

重力は、物が持つ「質量」というものから生まれます。

私たちの身の回りにある物質はほとんどが質量を持っていて、それが引き合うことで重力が働くんです。

この記事では、宇宙を支える大切な力である重力と質量についてわかりやすく説明します。

これによって、宇宙の果てや宇宙がどのように始まったのかも少しずつ分かってくるんですよ。

ニュートンが見つけた不思議な力、万有引力の発見！

ニュートンがりんごが木から落ちるのを見て、「万有引力」という力を発見した話は、多くの人が知っています。

昔から物が下に落ちることは知られていましたが、ニュートンがこの法則を見つけたことで、科学の世界は大きく変わりました。

地球と宇宙の不思議なつながり

ニュートンは、惑星が太陽のまわりを回る理由を探求していました。

りんごが落ちるのを見てひらめき、地球上のものも宇宙の天体も「万有引力」という同じ力で動いていることを発見しました。

これはすごい発見で、りんごの落ちるのも、惑星の動きも、すべて同じ力で説明できるようになったんです。

今では当たり前のことに思えますが、その当時の人々にとっては、宇宙はまだ神秘的で、全く違う原理で動いていると思われていました。

ニュートンはこの考えに挑戦し、地上と宇宙が同じ法則で動いているという新しい理解を広めたのです。これによって、宇宙と地球上の現象をつなぐ新しい科学的枠組みが生まれました。

ニュートンの法則で広がる宇宙の理解

今私たちは、宇宙がビッグバンで始まり、巨大な星が爆発してブラックホールができ、その強い引力で銀河が形成されることを知っています。

また、約40億年後には天の川銀河とアンドロメダ銀河が合体して新しい銀河を作ると予測されています。

ニュートンが見つけた「万有引力の法則」のおかげで、地球にいながらにして、遠くの宇宙の隅々で起こっていること、過去に起きたこと、そして未来の出来事までを科学的に解析できています。

「万有引力の法則」がなければ、私たちの宇宙に対する理解も今ほど進んでいなかったかもしれません。

宇宙での不思議な現象：無重力でも「質量」は存在する？

地球上ではよく、「質量」と「重さ」は同じものと考えられがちですが、実は無重力の空間では、物体の重さはなくなります。

では、無重力の空間では質量もなくなるのでしょうか？

答えは「ノー」です。

無重力状態で、重い物体と軽い物体に同じ力を加えてみる実験をすると、その違いがよくわかります。

重い物体はゆっくり動き始め、軽い物体はすぐに動きます。

これは、物体の質量が大きいほど、動かすのが難しいということを意味しています。

つまり、質量とは物体の「動かしやすさ」を示すもので、重たい物体は動かすのが大変で、軽い物体は簡単に動かせます。

さらに、動いている物体を考えると、重たい物体は方向や速度を変えるのが難しく、軽い物体は簡単に方向転換ができるんです。

このように、無重力空間でも質量は非常に重要な役割を果たしています。

宇宙を形づくる力、重力ってどんな力？

宇宙のあちこちに存在する物質がどうやって互いに影響を及ぼし合うのか、重力という力を中心に見てみましょう。

どうして物質があると、他の物体が引き寄せられるのでしょうか。

重力は物体が直接引き合うのではなく、「空間をゆがめる力」なんです。

このゆがんだ空間が、物体を引き寄せる原因になっています。

他の力と比べて、重力は弱い！？

宇宙には四つの基本的な力があります。

これらの中で、重力は最も弱い力です。

強い力が最も強く、次に電磁力、弱い力と続きます。

重力の弱さを感じる一つの方法は、ジャンプをすることです。

ジャンプするとき、私たちの体の電磁力が地球の重力よりも強くなり、一時的に地球から離れることができます。

つまり、小さな私たちでも、大きな地球の引力に抗って動くことができるのです。

重力の影響はどこまで？

重力は空間を縮める力として働き、その影響は何千光年も遠くまで及びます。

この広い範囲にわたる力が、星や銀河が生まれること、さらには銀河同士が合体するような大規模な宇宙の現象に大きな影響を与えています。

宇宙が今の形になっているのは、重力があるから。

重力は、宇宙の構造や動きを決めているのです。

不思議な質量の謎：私たちの体をつくる素粒子は全体の1％だけ？

私たちの体は原子でできていて、その原子は陽子、中性子、電子という粒子から成り立っています。

陽子と中性子はさらに小さな「クォーク」という素粒子からできています。

普通、体の重さはこれらの素粒子が全部足されたものだと思うかもしれませんが、実はそうではありません。

素粒子の重さは私たちの体の質量のわずか1％しかないのです。では、残りの99％の質量はどこから来るのでしょうか？

その答えは「力」と「エネルギー」にあります。質量は素粒子が陽子や中性子を形成する際に働く力（強い相互作用とも呼ばれる）から生じるものです。

原子のエネルギーが質量を作る

原子の中では、素粒子が非常に速く動いています。

原子核の中の陽子は同じプラスの電荷を持っているため、本来は反発し合うはずですが、実際には原子核はとても安定しています。

これは「強い力」と呼ばれる、グルーオンという素粒子が働く力によって保たれているのです。

この強い力が、質量の大部分を作り出しています。

このように原子内のエネルギーが質量に変わると考えるとわかりやすいです。

このエネルギーが解放されると、原子力エネルギーとして私たちの生活に役立っています。

宇宙の謎を解く！質量と重力の最新研究

質量と重力は、物の形や動き、宇宙の誕生や未来についての研究にとって非常に大切な要素です。

いくつかの注目すべき研究成果を見ていきましょう。

不思議な「負の質量」とは？

2017年、ワシントン州立大学の研究チームが、負の質量を持つ物質を作り出すことに成功しました。

通常、物質の質量はプラスですが、負の質量は一体どんなものでしょうか？

質量は物の動きやすさを決めるものです。

例えば、重い物を押せばゆっくり動きますが、軽い物はすぐ動きます。

しかし、負の質量を持つ物は、押されたら押した反対方向に動くという不思議な性質があります。

つまり、右に押せば左に動くんです。

この現象は、極低温の状態でルビジウム原子にレーザーを使って行った実験で確認されました。

宇宙での生活を支える「人工重力」の研究

宇宙の開発が進む中で、月や火星での生活が現実的に考えられるようになってきました。

そんな中、京都大学と鹿島建設が2022年に発表した「ルナグラス・マーズグラス」というプロジェクトは、月や火星での生活をサポートするための研究です。

月や火星では地球と異なる重力があるため、人間の生活にどんな影響があるのか、出産や子育てが可能かどうかなどが課題です。

ルナグラス・マーズグラスは、地球と同じ重力を作り出す設計で、これによってこれらの星で人類が暮らせるようになるかもしれません。

このプロジェクトには、生態系を模倣する「コアバイオーム」や、人工重力を利用した新しい交通システム「ヘキサトラック」の開発も含まれています。

まとめ

• 重力と質量の基礎: 宇宙の星や銀河が形成されるのは重力の働きによる。地球上の物と宇宙の天体も万有引力によって動いている。
• ニュートンの発見: りんごが木から落ちるのを見て万有引力を発見。これにより、地球と宇宙の法則が同じであることが明らかになった。
• 無重力空間での質量: 宇宙では物体の重さはなくなるが、質量は残る。質量は物体がどれだけ動かしにくいかを示し、無重力でも変わらない。
• 質量の謎: 人体を構成する素粒子は質量の1%のみで、残りは力とエネルギーから生じる。この力により原子核が安定している。
• 負の質量: 物質を押すと押された反対方向に動く不思議な性質を持つ負の質量が研究されている。
• 人工重力の研究: 宇宙開発の進展に伴い、月や火星での生活を支援するための人工重力の研究が進行中。