絶対回転

物理学において、絶対回転（外部基準に依存しない回転）の概念は、相対性理論、宇宙論、物理法則の性質に関する議論のテーマです。

絶対回転の概念が科学的に意味を持つためには、それが測定可能でなければなりません。言い換えれば、観察者は観察対象物の回転と自分自身の回転を区別できるでしょうか? ニュートンはこの問題を解決するために 2 つの実験を提案しました。1 つは、バケツの中で回転する水面の形状に対する遠心力の影響で、有人宇宙飛行の提案で使用されている回転重力の現象に相当します。2 つ目は、質量の中心を回転する 2 つの球を結合する弦の張力に対する遠心力の影響です。

ニュートンは、水面の形状が絶対空間に対する絶対回転の有無を示すと提唱しました。回転する水は曲面を持ち、静止した水は平らな表面を持ちます。回転する水は凹面を持つため、目に見える表面が凹面であり、水が回転しているように見えない場合は、水とともにあなたも回転していることになります。

遠心力は、共回転参照系（水と一緒に回転する参照系）における水の凹面を説明するために必要です。なぜなら、この参照系では水は静止しているように見え、したがって表面は平らであるはずだからです。したがって、静止した水を見る観察者は、水面が平らではなく凹面である理由を説明するために遠心力を必要とします。遠心力は水をバケツの側面に向かって押し、そこで水はどんどん深く積み重なります。それ以上上昇するためには、遠心力から得られるエネルギーと同じだけの重力に逆らう作業が必要になり、半径が大きいほどエネルギーは大きくなります。

遠心力がなければ見えているものを説明することができないなら、それは回転しているということだ。ニュートンの結論は回転は絶対的であるというものだ。^[1]

他の思想家は、純粋論理では相対回転のみが意味をなすと示唆している。例えば、ビショップ・バークレーやエルンスト・マッハ（その他）は、重要なのは恒星に対する相対回転であり、恒星が物体に対して回転することは、恒星に対する物体の回転と同じ効果を持つと示唆した。^{[2]ニュートンの議論はこの問題を解決していないが、彼の議論は、絶対回転が実際に意味するものの}操作的定義 の基礎として遠心力を確立したものと見なすことができる。^[3]

ニュートンは、回転速度を測定する別の実験も提案しました。それは、質量の中心を回転する 2 つの球をつないだ紐の張力を利用するというものです。紐の張力がゼロでない場合は、観察者が球が回転していると思っているかどうかに関係なく、球が回転していることを示します。この実験は、重力を考慮する必要がないため、原理的にはバケツの実験よりも簡単です。

回転に対する単純な「はい、いいえ」の答えを超えて、実際に回転を計算することもできます。そのためには、球の回転速度を測定し、この観測速度に適した張力を計算し、この計算された張力を測定された張力と比較します。この 2 つが一致すれば、静止した (回転していない) フレームになります。2 つが一致しない場合は、一致を得るために張力の計算に遠心力を含める必要があります。たとえば、球が静止しているように見えても張力がゼロでない場合は、張力全体が遠心力によるものです。必要な遠心力から、回転速度を決定できます。たとえば、計算された張力が測定値よりも大きい場合は、球とは反対の方向に回転しており、差異が大きいほど回転が速くなります。

ワイヤーの張力は、回転を維持するために必要な向心力です。物理的に回転している観察者が経験するのは、向心力と、観察者自身の慣性から生じる物理的効果です。慣性から生じる効果は、反作用遠心力と呼ばれます。

慣性の影響が架空の遠心力に起因するかどうかは選択の問題です。

フランスの物理学者ジョルジュ・サニャックは1913 年に、回転の影響を観察することを目的としたマイケルソン・モーリーの実験に似た実験を行いました。サニャックはこの実験を、アインシュタインの 1905 年の特殊相対性理論で否定された 光を伝えるエーテルの存在を証明するために行いました。

サニャックの実験とその後の同様の実験では、星を静止基準点として使用すると、地球の表面上の静止物体は地球の自転ごとに 1 回転することが示されました。したがって、回転は相対的ではなく絶対的であると結論付けられました。^{[引用が必要]}

マッハの原理は、物理学者であり哲学者でもあるエルンスト・マッハの仮説とされるものにアインシュタインが付けた名前です。

回転する基準系の局所的な動きは、宇宙の物質の大規模な分布によって決まるという考えです。マッハの原理は、遠くの星の動きを局所的な慣性系に関連付ける物理法則があるというものです。すべての星が自分の周りを回転しているのを見ると、遠心力を感じるような物理法則があるのではないかとマッハは示唆しています。この原理は、「外にある質量が、ここにある慣性に影響を与える」 といった曖昧な言い方で述べられることが多いです。

アインシュタインが考えた例は、回転する弾性球でした。回転する惑星が赤道で膨らんでいるように、回転する球は、その回転に応じて扁平な（押しつぶされた）回転楕円体に変形します。

古典力学では、この変形を説明するには、回転楕円体が回転していない基準系における外的原因が必要であり、これらの外的原因は、古典物理学および特殊相対性理論における「絶対回転」として捉えられる。^[4]一般相対性理論 では、外的原因は考慮されない。回転は局所測地線に相対的であり、局所測地線は最終的に遠方の星からの情報を伝えるため、これらの星に対する絶対的な回転があるように見える。^[5]

• 絶対的な時間と空間
• マッハの原理
• フーコーの振り子