はい、宇宙には重力があります

今週、私は「ハンドレッド」の第一話をじっくりと見ました。もしこの番組をまだご覧になっていない方がいらっしゃいましたら、舞台は近未来だということだけお伝えしておきます（CWで放送されていたのはごく最近ですが）。理由はここでは割愛しますが、ティーンエイジャーたちの集団を乗せた宇宙船が宇宙ステーションから地球の地表へと降りてきます。地球への再突入の際、ある少年が宇宙旅行の達人であり、素晴らしい人間だと見せびらかそうとします。そこで彼はどうするでしょう？座席から立ち上がり、無重力状態を自在に操るデモンストレーションとして宙を舞います。別のティーンエイジャーが、彼はかなり間抜けで、もうすぐ怪我をするだろうと指摘します。

さて、このシーンの説明はこれで十分です。物理的な話をしましょう。ポイントは、宇宙船に再突入する際に、ある人物が「浮遊」しているということです。

この短いシーンを過度に分析する前に、科学と物語に関する私の哲学について一つ注意点を述べさせてください。このことについては以前にも話したことがあるので、ここでは簡単にまとめておきます。番組の脚本家にとって一番の仕事は物語を語ることです。脚本家がプロットを進めるために科学を歪曲するとしても、それはそれで構いません。しかし、もしプロットを壊すことなく科学が正しいとしたら、もちろん私はそちらを選びます。

過剰分析へ！

重力の原因は何ですか?

このシーンは明らかに重力と関係があるので、重力について話すべきですよね？ 簡単に言うと、重力とは質量を持つ物体間の基本的な相互作用です。そうです、質量を持つ2つの物体は互いに引き合う重力の力を持っています。この重力の強さは、物体間の距離に依存します。物体が離れるほど、重力は弱くなります。この力の強さは、2つの物体の質量にも依存します。質量が大きいほど、力は大きくなります。方程式で表すと、次のようになります。

この式では、質量は変数 m ₁および m ₂で表され、物体間の距離は変数rです。しかし、最も重要なのは定数Gです。これは万有引力定数であり、その値は 6.67 x 10 ^-11 Nm ² /kg ² 2 です。これは重要なことのように思われるかもしれませんので、誰もが関連付けられる例を挙げましょう。あなたがどこかに立っていて、あなたの友人がすぐそばにいて、2人で会話をしているとします。2人とも質量を持っているため、2人を引っ張る重力が存在します。距離と質量を大まかに近似すると、引力は 3 x 10 ^-7ニュートンになります。参考までに言うと、この値は、頭に塩を一粒乗せたときに感じる力にかなり近いです（そう、塩1粒の質量のおおよその値があります）。

つまり、重力は極めて小さいのです。この力に気づくのは、相互作用する物体の片方が非常に大きな質量、例えば地球の質量（5.97 x 10 ²⁴ kg）を持っている場合だけです。友人を地球に置き換え、あなたと友人である地球との距離を地球の半径とすると、重力は約680ニュートンになります。これは私たちが感じることができる力です（そして実際に感じています）。

宇宙には重力があるのでしょうか?

さて、本題に入りましょう。無重力なのに、なぜ宇宙飛行士は宇宙空間を漂っているのでしょうか？宇宙には確かに無重力のように見えます。「無重力」とも呼ばれています。この質問には以前にも答えましたが、重要なのでもう一度考えてみましょう。

端的に言えば「はい」です。宇宙には重力があります。上の重力方程式をもう一度見てみましょう。地球の表面から宇宙空間へ移動すると、方程式はどのように変化するでしょうか？唯一の違いは、地球の中心とあなたの間の距離（r）です。つまり、距離が長くなるにつれて重力は減少するということですが、重力はどれくらい変化するのでしょうか？簡単に推定してみましょう。

^{地球の半径を6.371×10 6}メートルとしましょう。この値で、質量70kgの人の重力は686.7ニュートンになります。国際宇宙ステーションの軌道高度まで上昇すると、中心からさらに400km離れることになります。この距離を考慮して計算すると、質量は608ニュートンになります。これは地球表面での重力の約88%に相当します（私の計算結果はすべてこちらで確認できます）。しかし、宇宙には明らかに重力があることがわかります。

ああ、もう一つ証拠があります。なぜ月は地球の周りを回っているのでしょうか？答えは重力です。なぜ地球は太陽の周りを回っているのでしょうか？そうです、重力です。どちらの場合も、相互作用する二つの物体の間にはかなりの距離がありますが、宇宙空間であっても重力は「作用」しているのです。

では、なぜ宇宙飛行士は宇宙空間で浮遊するのでしょうか？軌道上では浮遊しているからです。もし宇宙に突き出た超高層タワーがあったとしても、宇宙飛行士が浮遊することはありません。この「無重力」環境は、宇宙船や宇宙ステーション内の人々の軌道運動によって生じます。これが真実です。もし人間に作用する力が重力だけであれば、人間は無重力を感じます。高いタワーの上に立つと、重力による下向きの力とタワーによる上向きの力という二つの力が作用します。軌道上では重力だけが作用し、それが無重力感につながるのです。

実は、無重力を感じるのに軌道上にいる必要はありません。重力だけが作用している状態であれば、無重力状態になることができます。ここで、考えてみてください。ビルの最上階にある停止中のエレベーターの中に立っているとします。あなたは静止しているので、力の合計はゼロでなければなりません。つまり、下向きの重力と床からの上向きの力は釣り合っているということです。さて、床からの力を取り除いてみましょう。確かにこれは難しいですが、実現可能です。エレベーターを自由落下する物体と同じ加速度で下向きに加速させるだけです。すると、あなたはエレベーターの中に落ちていることになります。唯一の力は重力であり、あなたは無重力状態になります。

この落下エレベーターが面白いと思う人もいるでしょう。だからこそ、多くの遊園地には「タワー・オブ・テラー」のような乗り物があるのです。基本的に、乗り物に乗って塔から落下します。落下中は無重力状態になりますが、真下に落ちるわけではありません。その代わりに、乗り物はレールの上を滑走し、地面に激突した場合よりもゆっくりと減速します。ハンツビルのNASAセンターにもこのタイプの乗り物があります。子供たちと乗ってみたのですが、想像以上に怖かったです。

もう一つ例を挙げてみましょう。飛行機に乗っていて、下向きの加速で飛行すると、乗っている人全員が無重力状態になります。犬でさえもです。よく見てみてください。

結局のところ、重力については大きな誤解があるようです。その理屈はこうだと思います。宇宙飛行士は宇宙では無重力です。宇宙には空気がありません。したがって、空気がなければ重力もありません。この空気も重力もないという考え方は、映画でよく出てきます（ただし、誤解です）。

こうやって見ると、宇宙空間を漂っている人（まあいいでしょう）が、まだ浮遊したまま宇宙船のエアロックに入ります。エアロックのドアが閉まり、空気がチャンバー内に送り込まれると、ドカーン！重力が加わったので、彼は地面に落下します。

これが本来の姿です――壮大な映画『2001年宇宙の旅』より。ネタバレ注意：ハルは気が狂っていて、ポッドベイのドアを開けようとしません。デイブにさえ。

わあ。あのシーンは完璧だね。空気が入ってくるまで音も出ないんだ。

再突入中に何が起こるのでしょうか?

さて、 『The 100』の出来事に戻りましょう。このシーンは軌道上ではなく、再突入時に起こります。これは宇宙船が大気圏に再突入し、空気抵抗（空気があるため）に遭遇する部分です。まずは、この運動のある時点における宇宙船の簡単な力の図から始めましょう。

明らかに、これは無重力状態ではありません。確かに、あらゆるものに重力は作用しますが、宇宙船は下降するにつれて空気抵抗によって減速します。人間が宇宙船の中に留まる場合、（床からの）追加の力も人間にかかっているはずです。つまり、無重力状態ではなく、実際には加速によって人間は通常よりも強い重力を感じることになります。しかし、これはエレベーターに乗っている時にも全く同じことが起こるので、既にご存知でしょう。エレベーターが下降して停止する時、速度も低下します。この間、床からの圧力によって、少し重く感じるでしょう。実際に重くなったわけではなく、加速によってそう感じるだけです。

もう一つ、この再突入の物理法則を正しく捉えた映画があります。 『アポロ13』です。ぜひご覧ください。

天井から水が落ちているのに注目してください。この場合、カプセルは斜め下向きに動いています。しかし、空気抵抗が運動の反対方向に作用し、宇宙船の速度を低下させています。では、何が水を減速させるのでしょうか？水は確かに表面に少し張り付いていますが、加速度が大きすぎてそこに留まることができず、宇宙飛行士に向かって「落下」します。ここでの「落下」とは、地球の表面に向かってまっすぐに落ちるという意味ではなく、加速度と反対方向に落ちるという意味です。

映画『ハンドレッド』のあのシーンを振り返ってみると、このシーンをどう修正できるかが分かります。実にシンプルです。大胆に浮かんでいる男を、再突入前に動き回らせる。そして、宇宙船が大気圏と接触し始めるとすぐに、他の男たちは落下する。そうすればストーリーに変化はなく、科学的にもより正確になります。