皆さんこんにちは！はてなクマです。
『重力』と聞くと皆さんは何を思い浮かべますか？体重計に乗って「あ〜、最近食べ過ぎてたから、また太っちゃってる〜（涙）」っていう悲しい記憶でしょうか。地球上で生活している我々にとって当たり前すぎて、普段は意識すらしない重力。でも、考えてみると不思議なんです。重力ってなんであるんでしょう。
この謎にとってもエレガントな方法で答えたのが、アインシュタインの作り出した一般相対性理論なんです。名前だけは聞いたことがある人もいるかもしれません。この一般相対性理論は、我々にとって身近な重力の根源を、想像もつかない方法で説明しました。今回は、そんな不思議で奥深い重力のひみつを、一般相対性理論に沿ってご紹介させていただきます。
そう、重力の正体は時空の歪みだったのです。
古典力学では謎だった重力の原因
皆さんが体重計に乗った時に出てくる○○kgという数字は一体何を表しているのでしょうか？当然皆さんがどれくらいの重さか、というのを数値化したものですよね。
じゃあ、その重さはどこからやってくるんでしょうか？実はその重さとは私たちの体と地球が引き合う力を計ったものなのです。
この地球と私たちが引き合う力は物理学者のアイザック・ニュートンによって万有引力という言葉で説明されました。嘘か真か、木から落ちるリンゴを見てニュートンはこの力の存在に気づいた、というお話は有名ですよね。
ニュートンの説明によれば、質量の大きな物体は、より大きな力で引き合うことになります。ですので、質量の大きい人はそれだけ大きな力で地球に引っ張られて、体重が重くなるのです。
でも、ニュートンはそもそもなぜ万有引力が存在するか、ということまでは説明できませんでした。これを説明したのが20世紀最高の理論物理学者と名高い、アルバート・アインシュタインです。アインシュタインが閃いたアイディアは時空の歪みによるものでした。（時空とは3次元の空間に時間を足した4次元の概念ですが、この記事では時間については触れません。ですので、皆さんが普通に想像する、縦・横・奥行きの3次元空間を思い浮かべてください。）
この時空の歪みは私たちの目には直接見えないので、想像するのがとっても困難です。3次元空間を生きている私たちにとって、その歪みを表現するには4次元必要なので想像できないのです。
2次元の世界の人に手伝ってもらおう
ですので、ここでは2次元の世界で生きている、その名も太郎君に登場してもらいましょう。と言ってもアニメに恋してる！というわけではありません。
私たちが生きる3次元空間には縦、横、奥行き(高さ)がありますが、太郎君には奥行きという概念がありません。ですので彼は縦と横のみの感覚で生きています。
今、2次元の地球に上に太郎君がいます。彼は地球と自分が引き合っていることも知っていますし、体重計に乗って自分が地球に引っ張られている引力、すなわち重さを図ることもできます。でもなぜ、地球に引っ張られているのか、ということは理解できません。
物質は空間を歪める！？
さて、ここに第3の次元を足してみます。この次元は普通の奥行きではありません。３つ目の次元は空間の歪みを表すために使います。
一般相対性理論では、物質（つまり質量）が存在すると空間が歪められることになります。ですので、質量の大きな地球は、その周りにある空間を大きく歪めます。どのように空間を歪めるかというと、ちょうどゴムの膜に鉄の玉を置いたように歪みます。
2次元の世界に住んでいる太郎君にとっては、この三つ目の次元は見ることができません。ですが、2次元の物体はこの歪んだ空間に貼り付かなくてはなりません。実際に地球と太郎君を、歪んだ2次元空間に貼り付けてみると、こんな感じになります。
なんだか太郎君が「みょ〜ん」ってなってしまいました。太郎君自身は、空間の歪みは全く感じないものの、2次元空間が曲がっているため、その曲がりに沿って滑り落ち続けることになります。そう、これが重力の正体なんです。
2次元地球は円形をしていて、その周りの空間が同じように円形に歪みます。ですので、太郎君は地球上のどの位置にいても、地球の中心に向かって引っ張られるような力を感じます。
これを3次元版に拡張したのが、我々の生きている世界ということになります。そう考えてみると不思議じゃないですか？全然空間が曲がってる、なんて感じることはできないですもんね。
今皆さんが、例えばリンゴを手に持って、それを上に放り投げてもまた下に落ちてきます。これは、地球がリンゴを引っ張っているのではなく、地球の周りの空間が曲がっているせいで、リンゴがそこを滑り落ちているから起こる現象なのです。
とは自分で書いているものの、全然想像できません（笑）物理って不思議だな〜
まとめ
いかがでしたか？我々にとっても身近な重力ですが、実はその根源にはとっても深遠な物理が隠されていました。アインシュタインの作り出した一般相対性理論は、空間の歪みを考えることによって、見事に重力の原因を説明することに成功しました。
ですが、一般相対性理論が教えてくれるのはこれだけではありません。実は時空の歪み、というものを認めると重力によって光の進む向きが曲げられたり、時間の進み方が異なったりする、というとても不思議な現象も予言されることになります。
さらに、質量が大き過ぎる物質が存在すると、時空に穴が開いてしまうことになります。実はこれがまさにブラックホールを意味しています。この記事だけではまだまだ語り尽くせいない一般相対性理論の奥深さを、随時ご紹介していきますのでご期待ください。
