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中編 X-Files

【宇宙ヤバイ】眠れないほど面白い宇宙の話【ゆっくり朗読】

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宇宙について教えてください。なんでもいいので……

1:名も無き被検体774号+:2011/11/20(日) 22:32:44.68 ID:PUuFibG2I

地表が世界の全てであり平面だと思っている蟻さんの気持ちになってみよう。

地球がどんどん膨張したら蟻さんにとっての宇宙は膨張するが、地表に外側はないし果てもない。

蟻さんが二次元だと信じている世界は実は三次元の球体の表面に過ぎないけれど蟻さんはそれを知覚していないのだから。

で、人間が永らく三次元だと思っていた宇宙は実は四次元の時空だったということ。

三次元的な果ても外側もないけれど膨張している。

ということは宇宙の謎を解けば四次元ポケットの開発も夢ではないということか…
蟻さんが高い知能を持っているとしよう。

地表は実は平面ではないのではないか?アインシュタインと呼ばれる蟻さんがどうしたらそれを確かめることができるかを考えた。
そして、できるだけ大きな三角形を地面に描いて内角の和を求め、それが180度ちょうどであれば地表は平面であると証明できることに気がついた。

で、実際に測ってみたら地表に描いた三角形の内角の和は180度より少し大きかった。

蟻さんたちは地表は平ではなく二点間の最短距離である直線 は、曲がった地表に沿って湾曲していることを知った。

人類は今ここ。

脳の神経細胞は宇宙と似ている?

脳の神経細胞は宇宙と似ている?

脳のシナプスと宇宙の銀河系の広がりかただよな。
太陽系の形=太陽の重力で惑星が太陽の周りを回っている。
銀河系の形=渦を巻いている銀河系のほど大きな物は重力の力では無理しかし全ての銀河系が渦を巻いているような形をしているのは何らかの力が働いているからその未知なる力=ダークマターと呼ばれている。

四次元はx.y.zにt(時間)って最近聞くけどぼくらが自在に操れるのはx.y.zまででt(時間)を自在に操れるようにするのも理論上は可能…らしいよね?
その先の5次元、6次元、7.8.9.無限大次元
どーなってんの?

次元と言うのは軸の数だと思えばいい一本の線がある、これが1次元この線に垂直に線を引くと2次元両方の線に対し垂直に線を引けば3次元3本に対して垂直に線を引けるのが4次元空間だ

光速度は観測者によらず一定で秒速30万km。
十分に重い天体の脱出速度は光速以上になるため光すら脱出できずブラックホールと呼ばれる。
遠目にはただの重い星に過ぎないが見ることはできない。

結局、とてつもなく大きくとてつもなく長い時間を扱う宇宙論と逆にとてつもなく小さくとてつもなく短い時間を扱う素粒子論の分野はわからないことだらけ。

で、宇宙誕生(ビッグバン)の瞬間はその両方があわさるので一層わからないのが実情です。

まだまだ俺たちは蟻さんと変わらんのよ。

宇宙の大規模構造は宇宙誕生の謎を解く数少ない有力な鍵。
インフレーション以前の量子的揺らぎで説明される、らしい。

暇だから続き。

蟻さんよりだいぶ賢くなったギリシャ人は夜空の星や太陽、月の動きを観察しながらいろんなことに気がついた。

例えばシエナでは夏至の正午に太陽が真上に来るため一瞬、垂直の塔は影がなくなる。

同じ日にシエナより北のアレクサンドリアではそのようなことは起こらず塔の北側に短い影ができる。
ギリシャ人はこのことから地球が丸いことを知った。
アレクサンドリアとシエナの距離は分かっているので地球の直径が約12,000kmであることも簡単な計算から突き止めた。

もともと地中海の海洋民族として、北極星の高さが南に行くほど低くなること、船に乗って陸地に近づくと水平線の向こうにはじめに山頂から見え出すことを知っていたので地球が丸いことはさほど意外ではなかったらしい。

太陽と月の動きも記録していたギリシャ人は地球の影に満月が入ることで月蝕が起こることも知った。
注意深く観察すると地球の影は月四つ分の大きさがあることも月蝕の長さから突き止めた。
つまり月の直径は約3,000km。
月の見かけの大きさから、地球から月までは約380,000kmであることもギリシャ人は突き止めた。

次に、より遠いと思われる太陽までの距離を知りたい。
ギリシャ人は考えた。
月と地球と太陽が成す角度がちょうど90度の瞬間、太陽が無限に遠ければ月はちょうどぴったり半月になるはず。
ところがその瞬間の月はやや満月に近い。

これはこの位置関係では太陽が若干月より地球に近いために起こると考えられる。
このわずかなズレからギリシャ人は太陽は月よりおよそ300倍以上遠いこと、おそらく太陽の直径は地球の100倍ほど大きいという結論に達した。

さらに惑星や星座を散りばめた天球までの距離もまったく正しい方法で求めようとしたが残念ながら観測機器の精度が不足しておりこれは失敗した。
(望遠鏡も時計も数字にゼロもない時代だから仕方ない)
ただ、ギリシャ人は天球までの距離は5億km程度と想像していたらしい。
これは現在知られている木星と土星の間くらい。

19世紀になって電気と磁気との関係が明らかになり電磁波の存在が予測され、マクスウェル方程式からは真空中の電磁波の伝播速度が計算された。
それは既に知られていた光速と一致するため、光は電磁波の一種であることが判明した。
海が一面無風であるとしよう。
夜、船の甲板に立って顔に当たる風の向きと強さを知ることで、水夫は船がどの方向にどのような速度で進んでいるかを知ることが出来るだろう。

マイケルソンとモーリーは様々な方向で光速度を厳密に測定することで地球が宇宙の中でどのように動いているかがわかるはずと考えた。
とりあえず公転方向とそれに直行する方向で光速を測ってみた。

同じだった。

これは地球が宇宙の中で静止していることを示しているのだろうか。
そうは思えない。
そこでアインシュタインの登場です。

需要があるなら明日に続く。

光速度が観測者の運動や光源の移動にかかわらず一定であるという観測事実はニュートン力学と矛盾する。
(実はマクスウェル方程式とは矛盾しない)マッハとかローレンツとかフィッツジェラルドとか当時の天才・秀才たちが虚空を充たすエーテル(真空を充し光を伝播する想像上の物質=イーサネットのイーサ(Ether)のことね)の引きずりとか渦巻きとか摩擦とか仮定して苦労していいところまで行くのだがうまくいかないし美しくない。

アインシュタインだけは光速度一定が神の定めならニュートン力学を忘れよう、光速度一定からスタートして世界観を再構成しようとした。
速さ=距離÷時間。
速さが変化すべきなのに変化しないなら、距離と時間が変化したんじゃね、と。

虚空に浮かぶ船の甲板にいる水夫。
顔に風は感じない。
目印になる島も星も水面もない。
彼は船が動いているのか止まっているのか知るすべもない。
(加速・減速していないことだけはわかる)
時折、水平線の向こうから別の船が近づき水夫の横を等速でまっすぐに通り過ぎていく。。
相手の船の甲板にも水夫がいて髪はなびかず彼もまったく風を感じていないらしい。
虚空を無数の船が思い思いの方向に進んでいる。
どの船の水夫も風を感じていない、という状況。

いったいどの船が動いていてどの船が止まっているのか。
わかるわけがない。
わかるのは自分に対して相手がどのように動いているかだけ。
どの船も自分は止まっていて相手が動いていると感じている。

実は止まっているのも動いているのも同じことで絶対的な基準となる座標系はこの世界には存在しない、あるのは相対的な運動だけ。
どの船で測っても自分は静止しているから光速度は一定。

ここまで考えたアインシュタインは学生時代唯一自分より数学の成績が良かった奥さんに面倒な計算を任せ、特殊相対性理論を完成させた。

水夫は船の上で光速度を測ってみる。
とりあぜ船首から船尾まで光が到達する時間を測った。
横を通過する船(同じ長さね)の上でも水夫が光速を測っているのが見える。
その様子を見ていると、船首から発射された光が船尾に到着するまでに船が前進しているので、わずかにこちらより短い時間で光が到着している。

しかし相手から見れば自分が静止していてこちらが動いているのだからまったく逆のことを言う。
つまり、お互いに相手の船は自分の船より短いようだ。
それでいて同じ時間で光が到着しているというならそちらの時計は遅れている。
と言い合う。

要するに特殊相対性理論の結論は、

光速度不変(大前提)
慣性系はすべて平等
運動する系の時間は遅れる(静止系から見て)
運動する系の長さは進行方向に対して縮む

以上は慣性系(静止を含む等速直線運動)についてのみ成立つ話なので特殊と呼ばれる。
アインシュタインは次に一般的な系(加速・減速・回転)で成立つ理論の構築を始めた。
すべて彼の頭の中で。
紙と鉛筆と奥さんの手助け以外、何の実験とか観測もしないところがすごいよな。

ちなみに俺は物理は素人。
いろいろ間違いもあるので詳しい方の訂正希望。

水夫も大分進化したのでもはや彼の船は宇宙船ということにしよう。
宇宙空間で漂っている間は船内は無重力。
ここでエンジンに点火して宇宙船は加速を始める。
加速とはどんどん速度を増すことで、エンジンを切るまで船は加速を続ける。

船内はもはや無重力ではない。
水夫は床に両足を踏ん張ってバランスを取り続けないとべちゃっと床に押し付けられてしまう。
普通、この体勢は「立っている」と呼ばれる。

加速の割合が毎秒9.8m/sずつ速度が増す状態に水夫はスロットルを調整する。

すると水夫は地上で立っているのと同じ力で床に立っている自分に気がつく。
宇宙船に窓がなければ船がいつのまにか地球上に着陸しているのか、宇宙を飛んでいるのかさっぱりわからない状態になる。

アインシュタインの変なところは「区別がつかないものは同じもの」という信念であり、彼は加速する系と重力下は区別つかない以上、同じ物理法則が同じように成り立たねばならないとしたところだね。

ここで上方に加速を続ける宇宙船の真横から光が照射され、宇宙船の左窓から右窓に抜けていったとしよう。
こちらは静止系からそれを見ている。

静止系の我々(誰だよ)から見れば光は直進し、左窓の真ん中を通過した光が右窓に到達するまでの間に宇宙船は上方へ移動しているから右窓の真ん中よりやや下を通過して船外に出て行く。
船内の水夫から見れば左窓から入った光が下方に曲がりながら右窓の下側から出て行った。

もうおわかりだろう。
加速系と重力系の区別がない以上、重力下では光は曲がるのだ。
重力加速度が大きいほど良く曲がる。
光は二点間の最短距離を直線で結ぶので、これは重力によって空間が湾曲していると言って良い。

証拠。

アインシュタインは手近かで十分に重いものは何かないかと思案してやっぱ太陽だねと思った。
で、太陽をはさむ十分に大きな三角形を描いてその内角の和を誰か測れ、きっと180度にならないからと予言。
戦時中にもかかわらず敵国イギリスのエディントン卿が金を出して大西洋上の英国軍艦から日蝕を観測、地球と太陽をはさむ両側の恒星を結ぶ角度を日蝕の前後で精密に測定した。

結果はアインシュタインの計算通り、宇宙に描いた巨大三角の内角の和は180度にやや足りず、太陽の重力が近傍の空間を曲げていることが判明した。

これは言い忘れたがぜひ付け加えたい。
交戦中のドイツの科学者の予言を検証するために観測を開始した英国軍艦に対して絶賛海上封鎖中で英国艦を見つけ次第撃沈していたUボートに向け、ナチスドイツはエディントン卿の日蝕観測チームだけは攻撃するなと厳命したのだ。

ちなみに先の宇宙船を光が通過した時間を図ると、船外では宇宙船の幅分、船内では湾曲した分少し長めの距離を通過しているので、光速度一定の条件から、船外から見ると船内の時間がやや遅くなっているとしなければならない。

これは重力下では時間の進行が遅くなる、と言っているのと同じことになる。

証拠というより応用例だけどGPS(全地球測位システム)は、原子時計を積んだ複数の衛星からの時報のずれを受信することで四次元時空内での位置を特定している。

時間のずれは軌道上の衛星の速度では無視できない量になるので、当然計算に含んでおり、一般相対性理論を疑う人はカーナビを捨ててください。

次に宇宙論。

質量のある物は互いに引き合う。
この力を引力と呼ぶ。
ニュートンは自分で考えたこの理論の結末に漠とした不安を感じていた。
引力には電気や磁気のようなプラスとマイナスがない。
天体間に働く力は引き合う力のみで反発する力(斥力)がない。

引き合う力しかないのでは、宇宙の全ての天体はやがて一箇所に集まって何もかも押しつぶされていつか終末を迎えてしまうのは必然。
どう計算しても宇宙が永遠に持続する天体の配置が有り得ない。

では何故、宇宙はとうに潰れてしまわずに現在も持続しているのだろう。
ていうかどうして宇宙は始まった。
ニュートンは多いに悩んで神秘の世界に解決を求め卑金属から純金を作る研究に没頭した。

そこにオルバースが面白いことを言った。

宇宙がどこまでも無限に拡がり天体も無限に存在して無秩序に配置されているとしたら夜が暗いのはおかしいと。

例えば樹海の中に男が迷い込んだとする。
この樹海は無限に広く、地表は完全に平面だとしよう。
男が周囲を見回すとまず近くの樹木が見える。
樹木と樹木の間には遠くの樹木が見える。
遠くの樹木と樹木の間にはさらに遠くの樹木が見えるし、その樹木と樹木の間には……・という具合に男の目には樹木以外の何も見えない。

例え望遠鏡で覗いてもすき間はすべて結局樹木に埋められている。
何しろ樹海に終わりがないのだから。

まったく同じように宇宙が無限に続き同じように天体で充たされているなら空はすべて恒星の表面で埋めつくされ、昼夜を問わず天は太陽の明るさで眩しく輝いていないとおかしい。
現実はそうではない。
これをはオルバースのパラドックスと呼ばれる。

オルバースは要するに宇宙は無限ではないのではないか、天体は遠方でだんだんまばらになって行き、どこかで何もない空間に行きついてしまうのではないか、という宇宙観を提示したことになる。

よく見ると樹木と樹木の隙間からは遠方の空が覗いており、そこで樹海は終わっているというわけだ。

やがて地球の公転半径を利用して近傍の恒星までの距離が測定可能となり、変光星の周期と光度からより遠方の星雲の距離も推定できるようになった。
アンドロメダ星雲が銀河系の中ではなく外にあるもうひとつの銀河であることもようやく判明した。

ちなみに人間の眼で見えるもっとも遠い対象はアンドロメダ星雲である。
200万光年以上離れた存在がちっぽけな人間の肉眼で見ることができるなんてすごいことだと思うよ。

写真の発明によって天文学は急速に発展した。
それまで天文学者は望遠鏡を片目で覗きながらもう片目で手元の紙にスケッチしてたんだぞ。
時間をおいて撮影した二枚の写真を比べると恒星の位置や明るさ、新星の出現が簡単にわかる。
物質や元素の性質もいろいろ分かってきて分光学の発達により遠方の天体のスペクトルを分析することにより、天体の組成までわかるようになった。

で、星っていうのはみんな好き勝手に動いている。
地球に近づいてくる星と遠ざかっていく。星のスペクトルをみると特徴的な輝線が近づいている星は波長の短い方に、遠ざかっている星は波長の長い方にずれている。

これはドップラー効果によるもので別に不思議はない。
救急車のサイレンの音程が近づく時は高く、遠ざかるときは低く聞こえるのと同じ理屈だ。

前世紀の始めにハッブルは遠方の銀河の固有運動をしらみつぶしに調べた。
その結果、銀河はけしてランダムに運動してはいない、どれもこれも我々の銀河から遠ざかっていること、そして遠くの銀河ほど速い速度で我々から遠ざかっているらしいことを発見した。
遠方の銀河はものすごい速度で遠ざかっているためスペクトルが波長の長い方向(赤方)に偏位している。
これを赤方偏位と呼ぶ。

宇宙は膨張していたのである。

ちなみに膨張しているのは空間自身なので光速の制限は受けない。
十分に遠方では膨張の速度が光速を超える。
我々の宇宙はそこで終わりである。
そこから先を私たちは知ることはできない。
また、膨張を時間的に遡ればすべての天体が一箇所に集まっていた始原に突き当たるはずである。
約137億年ほど昔のこととされるその地点がビッグバンである。

ガモフという非常に面白い人物はビッグバンによってどのように元素が生成され、星が生まれ、宇宙が膨張して行くかを考察した。

で、彼は大昔にビッグバンがあったとすれば望遠鏡で遠方を観察すれば良い、何しろ1光年先に見えるのは1年前の宇宙、100億光年先には100億年昔の宇宙が見えるのだから、十分遠方にはビッグバンそのものが見えるはずだ、と。

そしてついに人類は約160億光年以上遠方から届く光、もはや赤方偏位しまくって光ではなく2.7度の背景輻射として観測されるビッグバン直後の晴れ上がりを見ることが出来た。
樹木の隙間から空が見えたのである。
事実上そこが我々の宇宙の果てである。

以上。

自分で十分に理解していないことは簡潔に書けないもんだね。
ここらが俺の知識の限界だ。
誰か続きを頼む。
間違いの訂正もお願い。

E=mc^2とか不確定性原理とかすっとばしたところも補足してくれ。

ちなみにこの2.7度の背景輻射は、アメリカの電話会社の職員がアンテナの雑音を除去する作業中に偶然発見し、ノーベル賞まで取ってしまったもの。
現在はNASAの衛星により詳細に観測され下のようなマップが作成されている。

見よ。
これが137億年彼方に見えるビッグバンから40万年後の宇宙の姿であり、宇宙の果てである。

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