ビッグバン理論を理解する

宇宙の起源の背後にある理論

ジョン・ルンド/写真家の選択/ゲッティイメージズ

ビッグバン理論は、宇宙の起源の有力な理論です。本質的に、この理論は、宇宙が最初の点または特異点から始まり、それが何十億年にもわたって拡大し、現在の宇宙を形成したと述べています。

初期膨張宇宙の発見

1922 年、アレクサンダー フリードマンという名前のロシアの宇宙学者で数学者が、アルバート・アインシュタインの 一般相対論 場の方程式は膨張する宇宙をもたらしました。静的で永遠の宇宙を信奉するアインシュタインは、宇宙定数を方程式に追加し、この「エラー」を「修正」して膨張を排除しました。彼は後にこれを人生最大の失敗と呼んだ。

実際、膨張する宇宙を支持する観測的証拠がすでにありました。 1912 年、アメリカの天文学者 Vesto Slipher が渦巻銀河を観測しました。当時は「渦巻星雲」と見なされていました。 天の川 —そしてその記録 赤方偏移 、光源のシフトは、光スペクトルの赤端に向かってシフトします。彼は、そのような星雲がすべて地球から遠ざかっていることを観察しました。これらの結果は当時かなり物議を醸しており、その完全な意味は考慮されていませんでした。

1924年、天文学者 エドウィン・ハッブル これらの「星雲」までの距離を測定することができ、それらが実際には天の川の一部ではないほど遠くにあることを発見しました.彼は、天の川が多くの銀河の 1 つにすぎず、これらの「星雲」が実際にはそれ自体が銀河であることを発見しました。

ビッグバンの誕生

1927 年、ローマ カトリックの司祭で物理学者のジョルジュ ルメートルは独自にフリードマンの解を計算し、宇宙は膨張しているに違いないと再び示唆しました。この理論は、ハッブルが 1929 年に銀河の距離と銀河の量との間に相関関係があることを発見したときに支持されました。 赤方偏移 あの銀河の光の中で。遠方の銀河はより速く遠ざかっており、これはまさにルメートルの解によって予測されたものでした。

1931 年、ルメートルは予測をさらに推し進め、宇宙の物質が過去のある時点で無限の密度と温度に達することを発見しました。これは、宇宙が「原初の原子」と呼ばれる信じられないほど小さくて密度の高い物質の点で始まったに違いないことを意味していました。

ルメートルがローマ・カトリックの司祭であったという事実は、彼が宇宙に「創造」の明確な瞬間を提示する理論を提示していたので、一部の人々を懸念させた. 1920 年代と 1930 年代、アインシュタインのようなほとんどの物理学者は、宇宙が常に存在していたと信じる傾向がありました。本質的に、ビッグバン理論は多くの人から宗教的すぎると見なされていました。

ビッグバン対定常状態

しばらくの間、いくつかの理論が提示されましたが、実際にはフレッド・ホイルだけのものでした。 定常状態理論 それは、ルメートルの理論に真の競争をもたらしました。皮肉なことに、1950 年代のラジオ放送で「ビッグバン」というフレーズを作り出したのはホイルであり、ルメートルの理論を嘲笑する言葉として意図していた.

定常状態理論は、新しい 案件 宇宙が膨張している間でも、宇宙の密度と温度が時間の経過とともに一定に保たれるように作成されました。 Hoyle はまた、水素とヘリウムからより密度の高い元素が、 星の元素合成 、定常状態の理論とは異なり、これは正確であることが証明されています。

フリードマンの生徒の 1 人であるジョージ ガモウは、ビッグバン理論の主要な提唱者でした。同僚の Ralph Alpher と Robert Herman と共に、彼は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) 放射を予測しました。これは、ビッグバンの名残として宇宙全体に存在するはずの放射です。中に原子が形成され始めたので、 組み換え時代 、彼らはマイクロ波放射（光の一種）が宇宙を通過することを可能にし、Gamowはこれが マイクロ波放射 今日も観測可能だろう。

この議論は 1965 年まで続き、Arno Penzias と Robert Woodrow Wilson が Bell Telephone Laboratories で働いていたときに偶然 CMB に出会いました。彼らのディッケ放射計は、電波天文学と衛星通信に使用され、3.5 K の温度を検出しました (Alpher and Herman の予測である 5 K とほぼ一致しています)。

1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、定常状態物理学の支持者の中には、ビッグバン理論を否定しながらも、この発見を説明しようとした人もいましたが、10 年代の終わりまでに、CMB 放射には他にもっともらしい説明がないことが明らかになりました。ペンジアスとウィルソンは、この発見により 1978 年にノーベル物理学賞を受賞しました。

コズミック・インフレーション

しかし、ビッグバン理論に関しては、いくつかの懸念が残っていました。これらの 1 つは均質性の問題でした。科学者は次のように問いかけました: どの方向を見ても、エネルギーの点で宇宙が同じに見えるのはなぜですか?ビッグバン理論は初期宇宙に到達する時間を与えない 熱平衡 ですから、宇宙全体でエネルギーに違いがあるはずです。

1980年、アメリカの物理学者アラン・グースが正式に提案した インフレ理論 この問題やその他の問題を解決します。この理論は、ビッグバンに続く初期の瞬間に、「負圧の真空エネルギー」（ 五月 ～の現在の理論に何らかの形で関連している 暗黒エネルギー ）。あるいは、概念は似ているが詳細がわずかに異なるインフレ理論が、その後数年間に他の人によって提唱されました.

2001 年に開始された NASA によるウィルキンソン マイクロ波異方性プローブ (WMAP) プログラムは、宇宙初期のインフレーション期を強く支持する証拠を提供しました。この証拠は、2006 年に発表された 3 年間のデータで特に強力ですが、理論とはまだ若干の矛盾があります。 2006 年のノーベル物理学賞は、WMAP プロジェクトの主要な研究者であるジョン C. マザーとジョージ スムートに授与されました。

既存の論争

ビッグバン理論は大多数の物理学者に受け入れられていますが、それに関してはまだいくつかの小さな疑問があります.しかし、最も重要なのは、理論が答えようとすることさえできない問題です。

• ビッグバンの前に存在したものは何ですか?
• ビッグバンの原因は？
• 私たちの宇宙は唯一のものですか？

これらの質問に対する答えは、物理学の領域を超えて存在する可能性がありますが、それでも魅力的であり、 マルチバース 仮説は、科学者と非科学者の両方にとって興味深い推測の領域を提供します。

ビッグバンの別名

ルメートルが最初に初期宇宙についての彼の観察を提案したとき、彼は宇宙のこの初期状態を太古の原子と呼んだ。数年後、George Gamow が ylem という名前を付けました。それはまた、原始原子または宇宙卵とも呼ばれています。