宇宙論とその影響を理解する

宇宙の歴史のタイムライン。 (2009 年 6 月)。 NASA / WMAP 科学チーム

宇宙論は、他の多くの分野に触れる物理学内の研究分野であるため、理解するのが難しい分野になる可能性があります。 (実際には、最近では、物理学内のほとんどすべての研究分野が他の多くの分野に触れています。) 宇宙論とは何ですか?それを研究している人々（宇宙学者と呼ばれる）は実際に何をしているのですか？彼らの仕事を裏付ける証拠は何ですか？

宇宙論の概要

宇宙学 宇宙の起源と最終的な運命を研究する科学の分野です。それは天文学と天体物理学の特定の分野に最も密接に関連していますが、前世紀には宇宙論も素粒子物理学からの重要な洞察と密接に一致するようになりました.

言い換えれば、私たちは魅力的な実現に到達します。

現代の宇宙論に対する私たちの理解は、 最大 私たちの宇宙の構造 (惑星、恒星、銀河、銀河団) と、 最小 私たちの宇宙の構造（基本粒子）。

宇宙論の歴史

宇宙論の研究は、おそらく最も古い形式の自然への投機的調査の 1 つであり、歴史のある時点で、古代の人間が天に向かって次のような質問をしたときに始まりました。

• 私たちはどのようにしてここに来たのですか？
• 夜空で何が起きている？
• 私たちは宇宙で一人ですか？
• 空に光っているものは何ですか？

あなたはアイデアを得る。

古代人は、これらを説明するためにいくつかの非常に優れた試みを思いついた.西洋の科学的伝統におけるこれらの主なものは、 古代ギリシャの物理学 彼は、プトレマイオスの時代まで何世紀にもわたって洗練された宇宙の包括的な地球中心モデルを開発しました。プトレマイオスの時代まで、宇宙論は実際には数世紀にわたってさらに発展しませんでした。システム。

この分野での次の大きな進歩は、1543 年にニコラウス コペルニクスが死の床で天文学の本を出版したとき (それがカトリック教会との論争を引き起こすことを予期していた)、太陽系の彼の太陽中心モデルの証拠を概説したときでした。この考え方の転換を促した重要な洞察は、地球が物理的宇宙の中で基本的に特権的な位置を占めていると仮定する本当の理由はなかったという考えでした.この仮定の変化は、 コペルニクスの原理 .コペルニクスのヘリオセントリック モデルは、Tycho Brahe の研究に基づいてさらに人気があり、受け入れられるようになりました。 ガリレオ・ガリレイ 、 と ヨハネス・ケプラー 、彼らはコペルニクスの地動説を支持する実質的な実験的証拠を蓄積しました。

そうだった アイザック・ニュートン卿 しかし、これらすべての発見をまとめて惑星の動きを実際に説明することができた.彼は、地球に落下する物体の動きが、地球を周回する物体の動きに似ていることに気付く直感と洞察力を持っていました (本質的に、これらの物体は絶えず落下しています)。 その周り 地球）。この動きは似ていたので、彼はそれがおそらく同じ力によって引き起こされていることに気付きました。 重力 .注意深い観察と、 微積分 と彼の 運動の 3 つの法則 、ニュートンは、さまざまな状況でこの運動を説明する方程式を作成することができました.

ニュートンの万有引力の法則は、天体の動きを予測するのに役立ちましたが、1 つの問題がありました。この理論は、質量のある物体が空間を横切って互いに引き合うことを提案しましたが、ニュートンは重力がこれを達成するために使用したメカニズムの科学的説明を開発することができませんでした.不可解なことを説明するために、ニュートンは神への一般的な訴えに頼りました。基本的に、宇宙における神の完全な存在に応じて、オブジェクトはこのように動作します。物理的な説明を得るには、ニュートンの知性を凌駕するほどの知性を持つ天才が現れるまで 2 世紀以上待たなければなりませんでした。

一般相対性理論とビッグバン

ニュートンの宇宙論は、20 世紀初頭まで科学を支配していました。 アルバート・アインシュタイン 彼の理論を発展させた 一般相対論 、重力の科学的理解を再定義しました。アインシュタインの新しい定式化では、重力は、惑星、星、さらには銀河などの巨大な物体の存在に応じて 4 次元時空が曲がることによって引き起こされました。

この新しい定式化の興味深い含意の 1 つは、時空自体が平衡状態にないということでした。かなり短い順序で、科学者たちは、一般相対性理論が時空が膨張または収縮することを予測していることに気づきました。アインシュタインは、宇宙が実際には永遠であると信じていたと信じており、宇宙定数を理論に導入し、膨張または収縮に対抗する圧力を提供しました.しかし、天文学者のエドウィン ハッブルが宇宙が実際に膨張していることを最終的に発見したとき、アインシュタインは自分が間違いを犯したことに気づき、宇宙定数を理論から削除しました。

宇宙が膨張していた場合、当然の結論として、宇宙を巻き戻せば、それは小さく高密度の物質の塊で始まったに違いないということになります。宇宙がどのように始まったかについてのこの理論は、ビッグバン理論と呼ばれるようになりました。これは、フレッド・ホイルの理論に対する優位性を争ったため、20 世紀半ばの数十年間、物議を醸した理論でした。 定常状態理論 .しかし、1965 年の宇宙マイクロ波背景放射の発見により、ビッグバンに関連してなされた予測が確認され、物理学者の間で広く受け入れられるようになりました。

ホイルは定常状態理論について間違っていることが証明されたが、ホイルは 星の元素合成 これは、水素やその他の軽い原子が、星と呼ばれる核るつぼ内でより重い原子に変換され、星の死の際に宇宙に吐き出されるという理論です。これらのより重い原子は、水、惑星、そして最終的には人間を含む地球上の生命を形成し続けます!このように、畏敬の念を抱く多くの宇宙論者の言葉を借りれば、私たちは皆星屑から形成されているのです。

とにかく、宇宙の進化に戻りましょう。科学者が宇宙に関するより多くの情報を取得し、宇宙のマイクロ波背景放射をより注意深く測定するにつれて、問題が発生しました。天文データの詳細な測定が行われるにつれて、宇宙の初期段階と進化を理解する上で、量子物理学の概念がより強力な役割を果たす必要があることが明らかになりました。理論的宇宙論のこの分野は、まだ非常に思弁的ですが、非常に肥沃になり、量子宇宙論と呼ばれることもあります.

量子物理学は、エネルギーと物質がほぼ均一であるが、完全には均一ではない宇宙を示しました。しかし、初期の宇宙の変動は、宇宙が膨張した数十億年にわたって大幅に拡大しただろう...そしてその変動は予想よりもはるかに小さかった.そのため、宇宙論者は不均一な初期宇宙を説明する方法を見つけ出さなければなりませんでしたが、 それだけ 非常に小さな変動。

1980 年にこの問題に取り組み、 インフレ理論 .初期宇宙のゆらぎは小さな量子ゆらぎでしたが、初期宇宙では超高速膨張期のため急速に拡大しました。 1980年以降の天文観測はインフレーション理論の予測を支持しており、現在ではほとんどの宇宙論者の間でコンセンサスの見解となっています.

現代宇宙論の謎

宇宙論はこの 1 世紀で大きく進歩しましたが、まだ未解決の謎がいくつかあります。実際、現代物理学の中心的な謎の 2 つは、宇宙論と天体物理学の主要な問題です。

• 暗黒物質 - 一部の銀河は、銀河内で観察される物質 (「可視物質」と呼ばれる) の量に基づいて完全に説明できない方法で動いていますが、銀河内に余分な目に見えない物質がある場合は説明できます。最新の測定に基づいて、宇宙の約 25% を占めると予測されているこの余分な物質は、暗黒物質と呼ばれます。天体観測のほか、地球での実験など 極低温暗黒物質探索 (CDMS) 暗黒物質を直接観測しようとしています。
• ダークエネルギー - 1998年、天文学者は宇宙が減速している速度を検出しようと試みましたが、減速していないことがわかりました。実際、加速速度は加速していました。結局のところ、アインシュタインの宇宙定数が必要だったようですが、宇宙を平衡状態として保持する代わりに、実際には時間の経過とともにますます速い速度で銀河を引き離しているようです.この「反発重力」の原因は正確にはわかっていませんが、物理学者がその物質に付けた名前は「暗黒エネルギー」です。天文観測では、この暗黒エネルギーが宇宙の物質の約 70% を構成していると予測されています。

修正ニュートン力学 (MOND) や可変光速宇宙論など、これらの異常な結果を説明するいくつかの他の提案がありますが、これらの代替案は、この分野の多くの物理学者の間で受け入れられていない境界理論と見なされています。

宇宙の起源

ビッグバン理論は、宇宙が創造された直後からどのように進化してきたかを実際に説明していますが、宇宙の実際の起源について直接的な情報を提供することはできません.

これは、物理学が宇宙の起源について何も教えてくれないと言っているわけではありません。物理学者が最小スケールの空間を探索すると、量子物理学によって仮想粒子が作成されることがわかります。 カシミール効果 .実際、インフレーション理論は、物質やエネルギーが存在しない場合、時空が膨張すると予測しています。したがって、これを額面通りに考えると、科学者は宇宙がどのようにして最初に誕生したかについて合理的な説明を得ることができます。真の「無」、物質、エネルギー、時空が存在しない場合、その何ものも不安定ではなく、物質、エネルギー、および膨張する時空を生成し始めます。これは、次のような本の中心的なテーゼです。 グランドデザイン と 無からの宇宙 、宇宙は超自然的な創造神に言及せずに説明できると仮定しています。

宇宙論における人類の役割

地球が宇宙の中心ではなかったことを認識することの宇宙論的、哲学的、そしておそらく神学的な重要性を強調しすぎることはありません。この意味で、宇宙論は、伝統的な宗教的世界観と対立する証拠を生み出した最も初期の分野の 1 つです。実際、宇宙論のすべての進歩は、人類が種としてどれほど特別であるかについて私たちが作りたいと思っている最も重要な仮定に直面しているように見えます.少なくとも宇宙史の観点から.からのこの一節 グランドデザイン に スティーブン・ホーキング レナード・ムロジノウは、宇宙論からもたらされた思考の変化を雄弁に説明しています。

ニコラウス・コペルニクスの太陽系の地動説モデルは、私たち人間が宇宙の焦点では​​ないという最初の説得力のある科学的実証として認められています....私たちは今、コペルニクスの結果が、長い間打倒されてきた一連の入れ子になった降格の1つに過ぎないことを認識しています. - 人類の特別な地位に関する仮定: 私たちは太陽系の中心に位置していません, 私たちは銀河の中心に位置していません, 私たちは宇宙の中心に位置していません.宇宙の質量の大部分を構成する闇の成分でできています。そのような宇宙の格下げは...科学者が現在コペルニクスの原則と呼んでいるものを例示しています.物事の壮大な計画では、私たちが知っていることはすべて、人間が特権的な地位を占めていないことを示しています.