Gravity - Gravity (English spelling)

Japanese: 重力 - じゅうりょく（英語表記）gravity

One of the fundamental forces recognized on Earth as the force that attracts objects to the Earth.

Newton's Gravity

In 1665, Newton discovered that the force that determines the weight of an object on earth is the same as the force that acts between celestial bodies. The law of gravity discovered by Newton states that "the force that acts between two objects (spheres) is gravitational, and its magnitude is proportional to the mass of both objects and inversely proportional to the square of the distance." This force acts between all objects, so it is also called the universal gravitational force.

Let the masses of the two objects be m and M , and the distance between them be r . Then the strength of gravity F is F = GMm / r ^2. Here, G is called Newton's gravitational constant, and is G = 6.67 x 10 ^-11 Nm ² /kg ^2. If the distance is not large enough compared to the size of the objects, the magnitude of the force deviates from the previous relationship. Research into the gravitational force of general objects was achieved by mathematical physics in the 19th century. At this stage, the concept of a gravitational field was newly introduced, and it was also believed that matter is the source that generates a gravitational field, and that other objects receive forces by interacting with that gravitational field. The view that a force acts directly between masses is called the theory of action at a distance, and the view that a force acts through a gravitational field is called the theory of action near.

[Fumitake Sato]

Einstein's general theory of relativity

In 1905, Einstein completed his theory of relativity for electromagnetism, and a theory of gravity based on the view of proximity action was also needed for gravity. Thus, research into more general theories, including Newton's theory of gravity, began. In 1915, Einstein proposed the theory of general relativity, which was the first result of such efforts. Various experiments have verified that this theory accurately matches classical phenomena in which quantum effects are not important. However, it is believed that Einstein's general theory of relativity is insufficient for the gravitational phenomena in microscopic or ultra-high energy phenomena.

Modern physics recognizes four fundamental forces: gravity, electromagnetic force, and the strong and weak interactions found in nuclear and elementary particle phenomena. Attempts have been made to unify these forces, with some success. It is believed that a new theory of gravity will be discovered in the process of completing this unified theory (unified field theory).

[Fumitake Sato]

Gravitational and inertial mass

According to the relativistic view of proximity action, there is mass as the source that generates a gravitational field, or as the magnitude of the coupling coefficient that acts on a gravitational field. Mass in this sense is called gravitational mass. This is the same view as how an electric field is generated by electric charge, and the action of the electric field is also determined by the electric charge. According to the theory of relativity, mass is equivalent to energy, so gravity can be generated by massless particles such as light, and light is also affected by gravity.

Another meaning of mass is in the case of inertial mass, which generally determines the acceleration at which an object will move when subjected to a force, i.e. (force) = (inertial mass) x (acceleration). This inertial mass does not seem to be directly related to gravity, but since the ratio of gravitational mass to inertial mass is constant for any object, gravitational mass and inertial mass can be considered to be the same. This leads to the idea that inertial force and gravity are completely equivalent, and this equivalence principle is one of the foundations of the general theory of relativity.

[Fumitake Sato]

Weightlessness

In a system fixed to an object that moves only under the action of gravity, such as an artificial satellite revolving around the Earth, gravity is always zero. This state is called weightlessness. This is because gravity and inertial forces cancel each other out completely. In the case of an artificial satellite, the inertial force called centrifugal force caused by rotation and gravity cancel each other out. Weightlessness can also be achieved in a system of a freely falling box, but in this case the inertial force caused by the accelerated motion of the fall cancels out gravity. A weightless state of about one millionth of earth gravity can be achieved inside the space station. Under this microgravity, experiments on combustion and fluid motion caused by surface tension, development of pharmaceuticals and materials, and research into the effects on the growth and physiology of living organisms are carried out.

[Fumitake Sato]

Earth and Gravity

The magnitude of gravity on Earth is determined by the total mass of the Earth. The acceleration caused by this is 9.80 m/ ^s2 , called gravitational acceleration, and is expressed in g. The value of g is not constant due to the rotation of the Earth, its shape not being perfectly spherical, its composition not being perfectly uniform, and so on, and varies slightly from place to place.

Gravity plays a dominant role in all phenomena within the Earth, including its mountains, oceans, and atmosphere. For example, plate tectonics and typhoons are caused by convection that occurs when fluids or gases under the influence of gravity are heated, and the height of mountains is also determined by the interrelationship between gravity and the solidity of objects. The reason there is little hydrogen in the composition of the atmosphere is because the Earth's gravity was weak. On Jupiter, gravity is strong enough to capture hydrogen, but on the Moon, gravity is so weak that it cannot capture the atmosphere.

The structure and physiological functions of terrestrial organisms are also closely related to the magnitude of gravity. For example, gravity is one of the factors that determine an organism's posture. If there is an organism floating in a world with zero gravity, that organism does not need to be inclined toward the direction of gravity or have a special form, but an organism living in a world with gravity must first determine the position of its body axis relative to gravity. In other words, the posture of an organism is affected by gravity. It is an unknown question as to the effect on the organism of a human being who is in a gravitational environment when the gravitational conditions change due to space flight, etc.

[Fumitake Sato]

``The Theory of General Relativity and Gravity'' by Yamauchi Yasuhiko, Uchiyama Tatsuo, and Nakano Tadao (1967, Shokabo)'' ▽ ``The Mystery of Gravity - An Introduction to General Relativity'' by Peter G. Bergmann, translated by Tanigawa Yasutaka (1969, Kodansha)'' ▽ ``Gravity and the Theory of Relativity'' by M. Vasiliev and K. Stanyukovich, translated and edited by Kanemitsu Fujio (1970, Tokyo Tosho)' ' ▽ ``Gravity - The Mystery of the Force that Governs the Universe'' by Jayant V. Narlikar, translated by Nakamura Koichi (1986, Nikkei Science Publishing, published by Nihon Keizai Shimbun)'' ▽ ` `An Introduction to Supergravity Theory'' by Fujii Yasunori (1987, McGraw-Hill Books)'' ▽ ````Unified Theory'' - Can the Four Forces of Nature be Unified? (1993, Gakken) ▽ Kanno Reiji, What is Force? (1995, Maruzen) ▽ Harald Fritsch, Einstein vs. Newton: On Curved Space-Time, translated by Sakurayama Yoshio (1999, Maruzen) ▽ Feynman Lectures on the Theory of Gravity, edited by Hatfield, Richard Phillips Feynman et al., translated by Wada Sumio (1999, Iwanami Shoten) ▽ Nimase Satoshi, Illustrated Trivia: Gravity and General Theory of Relativity (1999, Natsume Publishing) ▽ Fujimoto Hiromi and Tomoda Yoshifumi, The Earth as Seen from Gravity (2000, University of Tokyo Press) ▽ Yamamoto Yoshitaka, The Discovery of Magnetism and Gravity 3: The Beginning of Modern Times (2003, Misuzu Shobo)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

地上で物体を地球に引く力として認識された基本力の一つ。

ニュートンの重力

1665年、ニュートンは、地上の物体の重さを決めている力と天体の間に働く力とが同じであることを発見した。ニュートンによりみいだされた重力の法則は「二つの物体（球）の間に働く力は引力であって、その大きさは両物体の質量に比例し、距離の2乗に反比例する」と表される。この力はすべての物体の間に働くので万有引力ともよばれる。

　いま、二つの物体の質量をm、Mとし、距離をrとすると、重力の強さFはF＝GMm/r²となる。ここでGはニュートンの重力定数とよばれ、G＝6.67×10^-11Nm²/kg²である。距離が物体の大きさに比べて十分に大きくない場合は、力の大きさは前式の関係からずれてくる。一般の物体の重力を求める研究は、19世紀の数理物理学によって達成された。この段階で、重力場という概念が新しく導入され、物質が源となって重力の場を発生させ、他の物体はその重力場と作用することによって力を受けるという見方もされるようになった。質量の間に直接に力が働くという見方を遠隔作用論といい、重力場を通して力が働くという見方を近接作用論という。

［佐藤文隆］

アインシュタインの一般相対性理論

1905年、アインシュタインによる電磁気学についての相対性理論が完成し、重力についても近接作用の見方による重力理論が必要となった。このようにしてニュートンの重力理論を含む、より一般的な理論の研究が出発した。1915年、アインシュタインによる一般相対性理論の提唱は、このような試みの最初の成果であった。この理論は、量子論的効果が重要でない古典的現象に対しては正確に適合することが種々の実験で検証されている。しかし、微視的あるいは超高エネルギー現象における重力現象は、アインシュタインの一般相対性理論だけでは不十分であると考えられている。

　現代の物理学は、重力、電磁気力、さらに原子核・素粒子現象で発見された強い相互作用、弱い相互作用の四つの基本的な力を認識している。そしてこれらの力を統一する試みがなされており、一部は成功している。新しい重力理論はこうした統一理論（統一場理論）の完成のなかで発見されると考えられている。

［佐藤文隆］

重力質量と慣性質量

相対論的な近接作用の見方によれば、重力場を発生させる源、あるいは重力場と作用する結合係数の大きさとしての質量がある。この意味での質量を重力質量という。これは電場が電荷によって発生し、電場との作用がやはり電荷で決まるのと同じ見方である。相対論によれば質量はエネルギーと等価であるため、重力は光のような質量がゼロの粒子によっても生じるし、光は重力の作用をも受ける。

　質量のもう一つの意味は、一般に力を受けた場合、どんな加速度で動きだすかを決める慣性質量、つまり（力）＝（慣性質量）×（加速度）という場合におけるものである。この慣性質量は、重力とは直接に関係していないように思えるが、どの物体についても重力質量と慣性質量の比が一定であるため、重力質量と慣性質量は同一のものとみなすことができる。これは慣性力と重力がまったく等価なものであるという考えを導き、この等価原理は一般相対性理論の根拠の一つとされている。

［佐藤文隆］

無重量状態

地球の周りを回転している人工衛星のように、重力の作用だけで運動している物体に固定した系では、重力はつねにゼロになっている。この状態が無重量状態（無重力状態）といわれる。これは、重力と慣性力とが互いに完全に打ち消し合うためである。人工衛星の場合は、回転による遠心力という慣性力と重力とが互いに打ち消し合っている。また、自由落下する箱の系でも無重量になるが、この場合は落下の加速度運動による慣性力が重力と打ち消し合っている。宇宙ステーションのなかでは地上重力の100万分の1程度の無重力状態が実現できる。この微小重力のもとで、燃焼や表面張力による流体運動の実験、製薬や材料の開発、生物の成長や生理への影響の研究がなされる。

［佐藤文隆］

地球と重力

地上における重力の大きさは地球の全質量によって決まっている。これによって引き起こされる加速度は、9.80m/s²で、重力加速度とよばれ、gで表される。gの値は、地球の回転、形が完全に球形でないこと、組成が完全に一様でないこと、などの理由で一定でなく、場所によって、わずかに異なる。

　地球の内部、山や海、大気などの現象は、すべて重力が支配的な役割を果たしている。たとえば、プレートテクトニクスや台風なども重力の影響下にある流体や気体が熱せられたときにおこる対流に起因し、また山の高さなども重力と物体の固さとの相互関係で決まっている。大気組成に水素が少ないのは地球の重力が小さかったからである。木星では水素もとらえるほどに重力が強いが、月では大気をとらえることができないほどに重力が小さい。

　地上の生物の構造や生理的機能も重力の大きさと密接に関係している。たとえば生物の姿勢を規定する要因の一つに重力がある。無重力の世界に浮遊している生物があるとすれば、その生物は重力の方向に対する傾斜も特別の形態も必要としないが、重力の世界に住む生物はまず重力に対する体軸の位置を決めなければならない。つまり生物の姿勢は重力に影響されるのである。重力環境にある人間が、宇宙飛行などで重力条件が変化した場合の生体への影響は未知の問題である。

［佐藤文隆］

『山内恭彦・内山竜雄・中野董夫著『一般相対性および重力の理論』（1967・裳華房）』▽『ペーター・G・ベルグマン著、谷川安孝訳『重力の謎――一般相対性理論入門』（1969・講談社）』▽『M・ワシリエフ、K・スタニュコヴィチ著、金光不二夫訳編『重力と相対性理論』（1970・東京図書）』▽『ジャヤント・V・ナーリカー著、中村孔一訳『重力――宇宙を支配する力の謎』（1986・日経サイエンス社、日本経済新聞社発売）』▽『藤井保憲著『超重力理論入門』（1987・マグロウヒルブック）』▽『藤井保憲著『「統一理論」――自然界の4つの力は統一できるか？』（1993・学習研究社）』▽『菅野礼司著『力とは何か』（1995・丸善）』▽『ハラルド・フリッチ著、桜山義夫訳『アインシュタイン vs ニュートン――曲がった時空をめぐって』（1999・丸善）』▽『ハットフィールド編、リチャード・フィリップス・ファインマンほか著、和田純夫訳『ファインマン講義　重力の理論』（1999・岩波書店）』▽『二間瀬敏史著『図解雑学　重力と一般相対性理論』（1999・ナツメ社）』▽『藤本博巳・友田好文著『重力からみる地球』（2000・東京大学出版会）』▽『山本義隆著『磁力と重力の発見3　近代の始まり』（2003・みすず書房）』