宇宙論の最近のブログ記事

ミクロの世界へ

さて、この宇宙にはさまざまな物質や相互作用があります。少なくとも、全ての物質的存在は、そこにある法則によって支配されているに違いありません。ここからは、その物質の基本要素となる素粒子、また、それらがどのように作用しあっているかを見ていくことにします。

気の遠くなるくらい広大な宇宙。その宇宙と、ミクロの世界の素粒子とはまるで無縁のように思われるかもしれません。しかし、素粒子の世界を見ることと宇宙を見ることというのは、実に密接な関係にあるといえるのです。実際に1970年以降になると、素粒子物理の研究と宇宙物理の研究が共同で行われはじめています。

このような背景には、"ビッグバン"の概念の登場があります。現在宇宙は膨張している。ならば、かつては宇宙はただ一点に集約していた、と考えることができます。これは、宇宙は、かつて、素粒子やそれ以下のサイズの超ミクロ世界であった、ということになるわけです。そのような世界では、マクロを語る物理学より、ミクロ世界を語る素粒子物理学、主に量子力学によってよく説明されるのです。

宇宙は主に天体観測によって事実を知ることができますが、ミクロ世界の現象は、ある程度であれば実験室でも再現することができます。宇宙初期に於いて、宇宙は極めて高温高密度の高いエネルギー状態であったと考えられています。そのような状態では、現在物質を構成している分子や原子ですらその形をとどめていることはできません。原子は、電子と原子核に、原子核は陽子と中性子に、それらの陽子や中性子は、さらにそれを構成するクォークに分かれ、それぞれがてんでバラバラに存在していた、とされています。原子を分解して素粒子を単独で存在させるような実験は、素粒子を超高速に加速する加速器の中で行われます。

例えば、誕生からプランク時間(10-43秒)経過した頃の宇宙のエネルギーというのは、大体1019GeV(1eVは、1Vの電位差によって電子一つが得るエネルギー)にもなります。このような状態では、素粒子は陽子や中性子などという形態さえとることができません。それぞれが全く勝手に運動しているような状態です。つまり、加速器によってそのような状態をつくり出してやろうというのです。

加速器の原理というのは、大体次のようなものです。巨大なリング状のトンネル(中は真空)に、光速近くまで加速した粒子を2つ、お互いに反対方向へ発射する。すると、その粒子同士が正面衝突したとき、そのエネルギーによって新たな粒子を生成する。実際には、元になった粒子が分解されるということになります。現存する素粒子の加速器で最大に加速しても、およそ103GeV程度だといわれていますが、現在アメリカで建設中の加速器(LHC:大型ハドロン衝突型加速器)では、それ以上のエネルギーが見込まれており、宇宙誕生の10-12秒後の状態が再現できるとされていいます。このような加速器は初期宇宙を研究する重要なファクターであるといえます。

宇宙の年齢

宇宙の膨張速度を逆算すると、宇宙の年齢を導くこともできます。

ビッグバンモデルでは、ビッグバンの時点を宇宙時間ゼロの点(インフレーション理論では、ビッグバンは宇宙時間10-41秒とされていますが、マクロな宇宙年齢を考える際は、このような時間は無視しても良いでしょう)として考えます。例えば、距離 r における星(または銀河)の後退(膨張)速度を v とすると、その星は現在まで r/v だけの時間を過ごしてきていることになります。これは、ハッブルの法則(v=H0r)より 1/H0 に等しくなります(H0 は現在におけるハッブル定数)。この時間のことを"ハッブル時間"と呼び、宇宙が誕生時点からずっと変わらない割合で膨張していると考えたときの宇宙の年齢になります。

しかし、先にも述べてきたとおり、宇宙の膨張速度は一定ではありません。また、宇宙は現在、減速しながら膨張をしている、と考えられています。これは、宇宙には大小さまざまな天体が存在するので、それらの重力でお互いに引き合おうとする力、即ち、膨張を引き止めようとする力が働いているためであるとされています。このため、実際の宇宙の年齢はハッブル時間よりも大きい(長い)ことになります。ハッブル時間は、宇宙の年齢の最も大きな限界(上限)を示している、と考えるのが妥当でしょう。

また、この方法に従う限り、宇宙の年齢は、ハッブル定数によって変わります。現在、宇宙の年齢は50~200億年の間でさまざまに考えられていますが、これはハッブル定数がさまざまに考えられている、ということであるのです。当初、ハッブル定数は、約500 [km/sec/Mpc]ほどであると考えられていました。現在の最新理論では約71[km/sec/Mpc]ということで、宇宙の年齢もこのことから約120億年だろうと推定されています。ただ、これは観測方法によって異なってくることもあり、まだまだ確定することはできません。

晴れ上がる宇宙

宇宙開闢から30万年経った頃...。宇宙の温度は3000Kになっています。

この頃になると、原子核と電子が電(磁)気力で互いに引き合って、いよいよ"原子"を合成しはじめます。ただ、この時期はまだ原子合成の初期段階で、まだ軽い原子である水素原子やヘリウム原子などしか合成されません。しかし、この頃の温度まで冷えてくると、光子が電子を原子の外へはじき出すほどのエネルギーはなく、一旦電子が原子核に捉えられると、そのまま中性な原子として安定することになります。

実は、この時点で、既に高温状態における光子の反応はほとんど終わっています。電子やその他の粒子と衝突することもなくなり、今後の光子は障害なしに直進できるようになるのです。この瞬間から、宇宙を初めて光で見ることができるようになったのです。それまでの宇宙は、光の通らない、いわば一つの大きな雲のようなもので、その中心を観察することはできませんでした。しかし、原子が中性で安定することでその雲が切れ、宇宙全体が透明になったのです。これを"宇宙の晴れ上がり"と呼びます。

私たちは、どんなに技術が進歩して高性能な望遠鏡を作ることができたとしても、この"宇宙の晴れ上がり"以前の宇宙を"見る"ことはできません。つまり、私たちが実際に見ることができる宇宙というのは、実は、誕生後30万年以降の宇宙に限られているということなのです。では、それ以前の宇宙の様子は私たちには永遠に分からないのでしょうか?いいえ、理論的に予測することはできます。ただ、光学的に(つまり、目で)見ることはできない、ということなのです。

宇宙開闢から30万年、ようやく私たちが今見ている宇宙の姿の原型が出来上がります。

これ以降の宇宙は、さらに膨張を続け、温度も下がり続けます。"宇宙の晴れ上がり"によって自由になった光は、今では約2.7Kのマイクロ波となって、私たちの地球へも届いています。これは"宇宙背景放射"と呼ばれています。膨張する宇宙の中で、水素やヘリウム以外の原子も構成され始めます。それらの原子が集まると、分子、そしてマクロな物質、物体へと変化していきます。ただ、この過程で、それぞれの物質は決して均一には分布していなかったことが分かっています。ほぼ均一に見えますが、やや密度が高いところと低いところが初期において存在したため、密度の高い部分はより高く、そして低い部分はより低い状態へと変化したと考えられています。このような物質の密度不均一のことを"宇宙の揺らぎ"と呼びます。

宇宙の揺らぎは、インフレーションを終えた現在の段階の宇宙においても存在しています。そして、この揺らぎこそが、今夜空に見るような光り輝く星や銀河などの天体を誕生させたのです。

では、少し現状の物理学の世界からみた宇宙にスポットを当てて見ることにします。

自然科学の立場で宇宙の創生について考えるとき、私たちはまず物理学という手法で解を得ようとします。何故かというと、この宇宙は私たちが実感しうる限り、原子やそれらが結合した分子などの物質から出来ているように見えるからです。現在そのようなものを最も合理的に説明しているのは物理学という分野です。物理学は、物質の材料となっている素粒子、或いはその相互作用を媒介する力など、おそらくこの宇宙の基本要素を網羅しています。

現代の物理学は、この宇宙の始まりをどのように説明しているのでしょうか?物理学的な宇宙創世の瞬間、それは一体どんなものなのでしょうか?まずは、現在の物理学が描く宇宙の創世日記を、ここで紐解いてみることにします。

ここでは、MLEXP.のテーマである生命宇宙、ライフスフィアの概念についてお話してみます。

ライフスフィアとは、"生命"と"空間"を複合した造語です。 この宇宙は生命である、という仮定のもとに構想された"生命宇宙"の世界全体の意をこめています。

生命宇宙の前に、皆さんには、宇宙とは何か?宇宙に始まりはあったのか? 全てを創り出した全知全能の神など存在するのか?今宇宙はどうなっていて、 これから先どうなっていくのか?そのような疑問がたくさんあるでしょう。

そもそも、"宇宙論"などと聞くと何か難しいものを考えるかもしれません。 確かに、現在専門家たちが研究する宇宙論とは、やっかいな数式、 理論などを並べて解析を進めている学問分野で、大変理解し難いものであるかもしれません。 かくいう私なども、専門書を広げてみたところで、一体何を書いてあるんだろう‥‥と頭をかかえてしまします。

ただ、一ついえることがあります。 それは、宇宙論(つまり、宇宙を正しく語れる科学的な理論)はまだ完成されていないということです。 これは永遠に完成されないものであるかもしれない。 そもそも、「これが正しい」と確実にいえる科学理論など、実は一つも存在しません。 かつて、完成されたと思われていたニュートン力学も、今では、 それでは自然現象を確実に解析できないことが分かっています。

宇宙論に関しても同じ。中世ヨーロッパでは天動説が当たり前とされ、 それ以外の思想を持つ者には宗教裁判によって制裁が加えられるほどでしたが、 今では、地球が太陽の周りを回っているなどということは、小学生でも知っています。 理論とは簡単に覆るものなのです。証明に必要な証拠はいくらあっても足りないのに、 それの反証をするのには、反例一つあれば十分なのです。 実は、私たち素人が立ち入れる隙はそこにあります。 どんなに長年信じられていた立派な理論も、反例一つあれば崩壊していく。

宇宙論は特に謎が多い分野で、まだまだ未踏の部分があります。 そこに、私たちが夢を広げてみようというのです。 過去のことは過去に行かなければ分かりません。そして未来もまた然りです。 一体宇宙の始まりに何があったのか、宇宙はどういった終焉を迎えるのでしょうか?

そんな疑問について"悩む"のでなく、いっそ"空想"する、と考えたら楽しいのではないか。 ライフスフィアは、そんな空想の1つでもあります。

2014年3月

            1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 18 19 20 21 22
23 24 25 26 27 28 29
30 31          

アーカイブ

Powered by Movable Type 5.02