宇宙観の進化=人類の進化

より深くより楽しく宇宙のしくみ、東京大学数物連携宇宙研究機構IPMU監修

人類誕生以来、宇宙観はずっと変わりませんでしたが、つい数百年前から、ルネッサンスから科学革命以降に、恐るべきスピードで進化してきました。宇宙観の進化は、人類の進化とシンクロしています。

  • 世界中の古代文明は地球平面説がとられていた。紀元前6世紀、古代ギリシャのピタゴラス学派は地球球体説を提唱したが、実際に球体であることを立証したのは16世紀のマゼラン世界1周航海であった。
  • 16世紀まで、カトリック教会が主張する天動説を人々は堅く信じていた。
  • 16世紀、火星などの逆行を根拠にコペルニクスが地動説を唱えた。17世紀には、望遠鏡を用いて、木星の衛星、金星の満ち欠け、太陽黒点観測によりガリレオが地動説を唱えた。
  • 1687年、アイザック・ニュートンの『自然哲学の数学的諸原理』が発表され万有引力が定式化された。
  • 1905年、アインシュタインの特殊相対論、1915年の一般相対論で、時空の歪みを人類が認識した。
  • 1922年、アメリカの天文学者エドウィン・ハッブルは、アンドロメダ銀河の変光星を調べることにより地球からアンドロメダ銀河の距離を測ることに成功し、これが天の川銀河の差し渡しの距離より大きいことを示した。天の川銀河は宇宙の中心にある唯一無二の存在ではなく、無数の銀河の一つに過ぎないことが分かった。これは天動説から地動説への転換にも等しい大転換だった。
  • 1922年、ロシアのアレクサンドル・フリードマンが一般相対論の方程式を解いて宇宙の膨張を主張した。1927年、フランスのジョルジュ・ルメートルも宇宙の膨張を提案。
  • 1929年、エドウィン・ハッブルが、星の光のスペクトル分析をして、光のドップラー効果により星が遠ざかる速度を計算し、地球からの距離と遠ざかる速度が比例していることを発見し宇宙の膨張を定式化したハッブルの法則を発表した。
  • 1931年、インド出身のスブラマニアン・チャンドラセカールは、白色矮星が縮退圧で支えられる最大質量(太陽質量の1.26倍、後日1.46倍と訂正)を計算した。水素の核融合を終えた白色矮星が連星系の伴星のガスなどを取り込んで質量を増加させチャンドラセカール限界を超えると原子核を支えきれなくなり中心部で炭素の核融合が暴走して超新星爆発(Ia型超新星爆発)を起こすが、この時のエネルギーは均一なので絶対等級が事前に分かっていることになり、観測できる明るさと比較することにより正確な距離が分かることになる(標準光源)。
  • 1933年、フリッツ・ツビッキーは、かみのけ座銀河団の8個の銀河の運動が、明るさから推定される質量の400倍もの質量(みえない質量)が無いと安定しないことを指摘した。
  • 1934年、フリッツ・ツビッキーワルター・バーデは、水素が尽きる前に起きる、中性子星を生み出す超新星爆発(II型超新星爆発)を提言した。
  • 1948年、ロシア出身のジョージ・ガモフが高温の一点から宇宙が膨張した宇宙モデル(ビッグバンモデル)を提示した。高温の痕跡が観測されることも予言した。
  • 1954年、フレッドホイル超新星元素合成を提唱した。鉄より重い(質量数の大きい)元素の核融合は吸熱反応であり、恒星内部の核融合では合成されず、核融合が終わり核融合エネルギーと重力のつり合いが破れた時の爆縮によって合成される。我々の身体にも含まれている必須ミネラルである銅や亜鉛などの微量元素は全て超新星爆発の残骸であることが分かった。将来、太陽が誕生した46億年前の少し前の超新星爆発の背景放射が観測される時が来るかもしれません。
  • 1957年、B2FH論文で、ビッグバンで水素とヘリウムがつくられ、それ以外の元素は恒星内部の核融合や超新星爆発でつくられるとする元素合成が提唱され、宇宙全体の元素構成比が説明された。
  • 1964年、ベル研究所のペンジアスとウィルソンは、電波望遠鏡1年間の観測を経て、全方向から3.5Kの宇宙マイクロ波背景放射が来ていることを発見した。全方向が過去に同一場所にあったことを示し、ビッグバンの宇宙観が確立した。
  • 1969年、ヴェラ・ルービンとケント・フォードは銀河の回転速度から求められる銀河の質量と観測された恒星の質量の差から、大量の暗黒物質(重力の発生源)の存在を報告した。銀河の暗い外周部には恒星が少なく質量が軽いと考えられたので、太陽系内の惑星と同じように、外周部の回転速度は低いはずだったが、観測してみると外周部の回転速度は内周部と変わらなかった。これは外周部に光を出さない莫大な質量が存在していることを意味した。通常の物質であれば、莫大な質量があれば重力で凝集し核融合が始まり恒星の発光が始まるはずである。人類は、自分たちが知っている質量を超える「未知の物質」「未知の重力源」「暗黒物質」が存在することを認識した。自分達が知っている物質は、宇宙全物質の「半分以下」に過ぎないことを知った。
  • 1981年、佐藤勝彦やアラン・グースが独立に、初期宇宙の指数関数的膨張(インフレーション宇宙論)を提案した。宇宙誕生から38万年しか経過していない宇宙の晴れ上がり時の宇宙の大きさが直径約8100万光年もあるのに宇宙の温度が均一であることを説明した。
  • 1989年、NASAが宇宙背景放射探査機(Cosmic Background Explorer, COBE)を打ち上げた。宇宙背景放射に10万分の1の揺らぎ(初期宇宙構造)が見つかった。
  • 1998年、ソール・パールマッター(Supernova Cosmology Project)ら、ブライアン・シュミット、アダム・リース(High-Z Supernova Search Team)らは超新星爆発のスペクトル解析により宇宙の膨張速度が加速していることを報告し、斥力=反発力=膨張力の源となるダークエネルギーの存在が証明された。宇宙は、爆弾が破裂するような減速膨張ではなく、加速膨張していることが判明した。宇宙では物質がもたらす引力よりも、膨張する斥力エネルギーの方が優勢であることが判明した。人類は、自分達が知っている物質と知らない重力源(暗黒物質)を超える、斥力エネルギー(ダークエネルギー)が存在していることを認識した。
Hubble Diagram from Both Teams
Results analyzing the Type-Ia supernovae (Riess et al. 1998)

(この図で、ΩMは質量、ΩΛは斥力。ΩM+ΩΛ=1の時平坦な宇宙となる。)

  • 2001年6月30日に米国NASAによって打ち上げられた、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe: WMAP)が宇宙背景放射(温度ゆらぎ)を精密測定し宇宙の組成を詳細に分析した結果が2003年2月11日に発表された。宇宙に通常の原子は4%しか存在せず、23%の暗黒物質(ダークマター)と、73%の暗黒エネルギー(ダークエネルギー)の存在が観測された。
  • 2004年2月、アダム・リースとマイケル・ターナーは、SCIENTIFIC AMERICAN誌に投稿した論文で、宇宙は当初減速膨張だったが、50億年前から加速膨張に転じたと報告した。100億年前に爆発したIa型超新星SN1997ffの分析で判明した。
  • CMB温度ゆらぎの分析から、宇宙の各場所におけるインフレーションが異なる可能性が指摘され、物理定数が異なる別の宇宙が存在している可能性が指摘された。それぞれのインフレーションがそれぞれの宇宙(ユニバース)を生み出し、多宇宙(マルチバース)を構成している可能性が提唱されている。あるいは、物理定数の異なる宇宙が巨大空間に併存していると考えれば巨大宇宙メガバースという世界観となる。
Screenshot of www.kek.jp

Ia型超新星爆発白色矮星が周辺のガスを取り込んでチャンドラセカール限界(電子の反発力と重力が釣り合う質量限界)に達した時に起きるので、質量が全て同じことになり、発生するエネルギー量も同じになり、絶対光度も等しくなるので、実際に観測された明るさとスペクトルを理論値と比較することにより地球からの距離と離れる速度を精密に測定することができるというわけです。

このように見てくると、もう、最初の天動説から地動説への転換なんて可愛いものに見えてくるから不思議です。宇宙観がどんどん塗り替えられ更新されてきたんですね。しかもその更新速度がどんどん増加しているのです。ユニバース単一宇宙観からマルチバース多重宇宙観への転換は、天動説から地動説への転換に似たものです。世界観から、「多世界観」へのグレードアップが起きています。

虚数、多世界、マルチバース

野村泰紀、マルチバース宇宙論入門

野村泰紀さんの宇宙論入門によれば、ヒュー・エヴェレットの量子力学多世界解釈は、超弦理論で予言された余剰次元にある別の宇宙(マルチバース)と「同じものじゃないか」と考察する議論が始まっているそうです。波動関数は宇宙全体に同時に波及していると解釈するのです。だから、量子テレポーテーションは、瞬間移動しているように見えるけれども、それは間違いで、最初から宇宙全体が同期しているというのです。そういえば、シュレーディンガー方程式には虚数が含まれていますが、これだって、現実世界では確かめることが出来ない数ですね。

$$i\hbar\frac{\partial\psi}{\partial t} = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2 \psi}{\partial x^2}$$

この宇宙観の進化は、人類の進化と並行しています。人類の想像力が加速度的に世界観を拡大し続けているのです。おなじように人類の社会生活も変化しています。その変化の速度が毎日上昇しているのです。加速しています。宇宙観の変化を学び、人類の進化を体感して、社会生活の変化も予感する必要があります。宇宙論を学ぶことはシンギュラリティを学ぶことなのです。

※参考記事

宇宙革命

物理学者の人間原理


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