そもそも相対性理論って？「相対性理論というひとつの論文があるわけではない。複数の論文をまとめたものを相対性理論と言っている」と東京大学名誉教授で宇宙物理学者の佐藤勝彦さん。

１９０５年に発表した「特殊相対性理論」は 光に関係した話。１９１６年に出た「一般相対性理論の基礎」は特殊相対性理論を内部に含みながら、より広く、強い重力の場や、時間と空間の物理学になっている。

特殊相対性理論の最大の功績は「光の謎」を解明したこと。光は宇宙をどの方向にも同じ速度で進んでいる。一方地球は太陽を中心にして回っている。その動いている地球上で光を観測したらどうなるのか？

しかし１９世紀後半に行われた実験では、どの方向から来る光も速度は一切変わらなかった。当時の人々はなぜそうなるのか理由が分からなかった。アインシュタインはその謎を説明する画期的な考え方を提案する。

時間の進み方は観測者の運動状態によって異なる。誰から見ても絶対だという固定観念を捨てることにしたのだ。「光速度不変を原理にすると、時間は決して不変ではないという。これは本当に革命的な考え方です」

「地球上より高速で動く宇宙船の中の方がゆっくり時間が流れている。これが相対性理論の基本」と佐藤さん。これをわかりやすく説明するには、「光の速さはどんな状況でも変わらない」という相対性理論の前提がある。

地球で地面から光が出て天井に届くまで、仮に１秒とする。同じようにとても速い速度で移動する宇宙船の中で地面から天井まで光を出して見てみよう。宇宙船は動いているので地球から見ると光は斜めに進んで見える。

次に地球上と宇宙船上、２つの光を同時に出してみると、地球上では光が天井に届き１秒たっているのに、宇宙船ではまだ天井には届かず１秒たっていない。地球から見た宇宙船の中の１秒は地球上の１秒よりも長いのだ。

相対性理論の基本は「高速で動いている物体の時間は止まっている物体の時間よりゆっくり進む」。アメリカの実験では高速で飛ぶジェット機の中の時計が地上の時計よりわずかに遅れていたという記録が残っている。

つまり新幹線に乗って移動している人の方が移動せずに同じ場所に止まっている人より時間がゆっくり進むということ。「時速２８５ｋｍの新幹線で停車せずに１００万年乗り続ければ１秒先の未来へ行ける」と佐藤さん。

ちょっと未来でなく、何百年も未来へ行くタイムマシンはいつできる？「とにかく未来へ行くためには、光の速さにものすごく近い高速の乗り物が必要。その技術ができるためには少なくとも１００年では足りない」。

一般相対性理論はアインシュタインが特殊相対性理論を１０年かけて拡張したもの。高度な方程式で表されるが、端的に言うと「質量によって時間と空間はゆがむ」「重力の正体は時空のゆがみである」というもの。

この一般相対性理論によってまだ見つかっていない宇宙の現象が次々と予言された。一つ目はブラックホールの存在。質量が非常に大きな星は一生を終えるときに大爆発を起こす。これを超新星爆発という。

大爆発のあとには中性子星という密度の高い星ができるか、自らの重力に耐えられず収縮していく天体ができる。そして時空のゆがみがとてつもなく大きくなると光でさえも脱出できない領域＝ブラックホールが発生する。

予言の２つ目は宇宙の膨張。当時、そのことを示す観測はなかったが、一般相対性理論は宇宙全体が膨張したり収縮したりすることを予言した。これにはアインシュタインも驚き、一度は方程式の修正を試みたほどだった。

３つ目は重力波の存在。重力波とは時空のゆがみを光速で伝える波。質量の大きな星が合体したときや超新星爆発が起きたときに大きな時空のゆがみが発生することが予言された。

これらの現象は、その後の研究者たちによって実際に観測された。１９２９年、アメリカの天文学者によって宇宙の膨張が観測された。２０１５年、レーザー干渉計という最新鋭の装置で重力波がはじめて直接観測された。

２０１９年には電波望遠鏡でブラックホールが初めて直接撮影された映像が公開された。アインシュタインの理論の発表から１００年が経ち、人類はようやくアインシュタインの予言を裏づける技術を手にしつつあるのだ！