それを矛盾なくこの世の問題として解決できるような知恵が必要となる この世 ( 宇宙 ) のはじまり 1 はじまり より前 : 特異点 はじまりとは 時間の区切りの中で 終わりと共に特異な点となる 宇宙のはじまりにおいても この特異点は問題となっている この世のはじまりも 特異点で ビックバンと呼ばれ

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1 科学 技術の世界深く地球を考える - 科学と哲学と地質学と 年 5 月 16 日小出良幸 第 6 講はじまり : この世のはじまり 不可能を可能にする知恵 1 この世とあの世の境界 ありえないものを 考えることはできるだろうか 普通はできない 例えば はじまりの瞬間を考えるとき それは 限りなくゼロに近い時間や大きさ無限大の密度 温度などを 考えなければならないかもしれない これは いってみれば物理学の適用範囲を越えた場面となることもあるであろう この世とあの世の境界に当たるところかもしない そんな境界付近で 通常の考えが通じないことが起こりうる それを成し遂げるためには 発想の飛躍が必要かもしれない 2 境界をこの世に引き込むこの世とあの世の境界で この世の法則が通じない世界はあの世と考えられる しかし それを知恵でこの世に持ち込むことができる場合がある それには 不可能を可能にするような知恵が必要 例光より速い光を考える毎秒一回転する光は 半径 1km ところでは 円周は約 6km だから ある点を灯台の光は 6km/ 秒のスピードで通過する では 半径 30 万 km で この灯台の光を見ると円周は 120 万 km だから 灯台の光は 120 万 / 秒のスピードで通過する これは この世で絶対的なスピードをもつ光速のより早ものとなる 光のスピードはこの世で最も速いもの 30 万 km/ 秒 円周は約 6km 円周は約 180 万 km 光は 180 万 km/ 秒で移動する 光は 6km/ 秒で移動する B 半径 30 万 km A 半径 1km 毎秒 1 回転する灯台 灯台のパラドクス この例のようなパラドクスを生み出し

2 それを矛盾なくこの世の問題として解決できるような知恵が必要となる この世 ( 宇宙 ) のはじまり 1 はじまり より前 : 特異点 はじまりとは 時間の区切りの中で 終わりと共に特異な点となる 宇宙のはじまりにおいても この特異点は問題となっている この世のはじまりも 特異点で ビックバンと呼ばれているものである ビックバンの瞬間は 時間が限りなくゼロ近い時のことで 無限大の密度 無限大の温度無限大の重力無限大の質量 という特異点になる 一般相対性理論だけでなく あらゆる物理法則が破綻する 境界問題と呼ばれている 対数軸 宇宙史におけるイベント インフレーションの開始 ビックバンの開始 実数軸 0 無境界仮説 ( ホーキング ) このような特異点を回避するために イギリスのスティーブン ホーキング (1942 年 ~) らは 無境界境界条件 という考え方を示した 一般相対性理論と量子力学を組み入れたものである 量子力学から 虚時間 = 存在しない時間 という考えを導入して 確率計算で宇宙形成モデルを作成した T i m e ( s e c ) クォークの閉じこめ原子核の形成宇宙の晴れ上がりスターバースト銀河の形成 T i m e ( s e c ) 虚 (i) の時間の導入によって 数学的に境界をなくした 最初の銀河団の形成最初の星の形成 宇宙は実時間の時空と虚時間の時空を 行ったり来たりしながら 実時間時空での消滅は 虚時間時空での誕生 という誕生と消滅をくり返すものであると記述した 太陽系の形成 現在 一般相対性理論と量子力学を統一した 量子宇宙論 と呼ばれている 2 はじまり : ド ジッターの宇宙 ド ジッターの宇宙は 虚の時間から実時間へのトンネル効果による転移無の状態から 量子のゆらぎがあるとき虚の時間から トンネル効果によって 実時間の宇宙が創生される つまり 宇宙が誕生すると考える この世 = 宇宙のはじまりは 時間 空間 物質のまったくない 無 の状態から

3 量子的効果によって創生された 3 インフレーション ( 広義のビックバン ) の開始最小の時間 K, sec 後, プランク単位 150 億年も膨張を続けるエネルギーは 宇宙は初期に自らの重力ですぐに収縮してしまう という説がある そんな矛盾を解くために 膨張の初期の段階で 急激な加速膨張が起これば解決できる このような急激な膨張が インフレーション理論 と呼ぶ 4 ビックバン ( 狭義 ) の開始 K, sec 後インフレーションから 現在のような膨張に落ち着く 創生された宇宙はプランクサイズ (10-36 m) 程度の閉じた宇宙で インフレーションによって 生成直後の収縮から逃れ すぐに マクロの宇宙 ( 私たちの宇宙 ) になった ものと力のはじまり ビックバン以降 エネルギーから 力ともの ( 物質 ) が分離した 1 インフレーションの時期 sec 以降ものがない エネルギーのみ時代 エネルギーの中からそれまで一つであった力か ら 重力が 分岐する 最初に 重力 ありき 2 ビックバンの時期 sec 以降 素粒子の形成が始まる強い力の分岐 バリオン数の決定のちのちの物質量を決めるもの弱い力と電磁力の分岐 これで 4 つの力は分かれたが まだ働くべき物質がなかったので 力は作用できなかった 3 クォークの閉じこめ K, 10-8 sec 以降 弱い力がはたらきはじめる 量子色力学的力の作用 ( 相転移 ) がはじまる量子色力学相転移によって 3 つのクォークがつ ながり陽子と中性子 ( ハドロンとよばれる ) が形成ニュートリノの海 強い力10 10 K, 10 2 sec 後 弱い力電磁気力弱い力の物質化強い力の物質化1028K, 10-34sec 後 1016K, 10-11sec 後 K, 10-5 sec 後 電磁気力の物質化3000K, sec 後 重力の物質化1032K, 10-44sec 後 重力

4 4 原子核の形成 K, 3 分以降 ( sec) 強い力の物質化終了 強い力が働きはじめる 強い力によって 陽子と中性子が結合して 重水素やヘリウムなどの原子核が形成される 5 宇宙の晴れ上がり 3000K, 30 万年 ( sec) 以降電磁気力の物質化終了 電磁気力が働きはじめる 電磁気力によって 原子核と電子の結合し 原子というものができる このときから 光は直進できるようになる これを 宇宙の晴れ上がり と比喩的にいう 現在 観測される宇宙背景放射 ( 現在 3K) は この時のものをいう 重力の物質化終了 重力が働きはじめる 宇宙背景放射は 宇宙のどの方向からも観測され 一様性である ビッグバン理論で説明される 時間に比例した膨張とは矛盾する しかし 詳細に調べたところ 1/10 万以下のレベルで見ると ムラがあることがわかってきた このようなムラが 実は 後の宇宙の構造をつくるのに重要な働きをすることがわかってきた 6 ビッグバンへの反論 : 定常宇宙論 1948 年に フレッド ホイル卿 (Fred Hoyle;2001 年死去 ) ボンディ (Hermann Bondi) ゴールド (Thomas Gold) らの提唱した定常宇宙論である ホイルらの定常宇宙論は 宇宙は常に不変であり この宇宙では膨張して密度が下がった分だけ 宇宙全体から物質が生まれるというものである 反論の一番の根拠は この世で一度しかないことは 不自然である むしろ 虚の時間や無からの創生などという知りえないことより

5 物質が 1 年間に 1 立方 km あたり 水素原子一個程度生まれるという 起こりうることを受け入れた方がいいのではないか ビッグバン宇宙論ですべての現象が説明されているわけではないから 物質生成の速度は 非常に小さな割合なので直接観測されていないことは問題にはならない 新たに物質が生まれるということから質量保存の法則を破ってはいるが 定常宇宙論には 宇宙の始まりを必要としない点が有力な長所がある ホイルはビックバン宇宙論の名付け親ホイルは The Nature of Things という BBC のラジオ番組の中で やつらは宇宙が大きな爆発 (big bang) で始まったと言っている とビッグバン理論を批判した この発言を聞いたビックバン理論の提唱者のジョージ ガモフが面白がって使ったことから 火の玉宇宙論 は以後 ビッグバン宇宙論 と呼ばれるようになった 無冠の科学者ホイルホイルは ケンブリッジ大学天文学研究所 (Institute of Astronomy, IoA) で過ごした ホイルの残した重要な業績とさまざまな議論 定常宇宙論 人間原理 恒星内部での元素合成の概念の確立 生命起源のパンスペルミア説 始祖鳥の化石の真贋について 1974 年のノーベル賞で 電波干渉計の開発とパルサーの発見に対して贈られたが ジョスリン ベル バーネルが受賞者に含まれなかったことに対する非難 宇宙のつくり ( 構造 ) のはじまり 1 スターバースト数億年 (10 16 sec) 後 密度のゆらぎ ( 宇宙背景放射のむら ) があったため 重力によって物質が集まり始める やがて 最初の天体を生む 2 銀河ができはじめる 10~20 億年 (3.5~ sec) 後 最初の天体の死によって 銀河ができはじめる 3 銀河団の形成 30 億年 ( sec) 後最初の天体の死によって 宇宙の泡状構造や超銀河団 つまり宇宙の構造ができる 4 最初の星の形成 40 億年 ( sec) 後 われわれのはじまり

6 約 100 億年 ( sec) 後 太陽系の誕生と地球の形成生命誕生人類誕生 現在 3K, 150 億年 ( sec) 後 私たちがいる そして この世 のことや宇宙について考えている

7 科学 技術の世界深く地球を考える - 科学と哲学と地質学と 年 5 月 16 日小出良幸 第 6 講はじまり : この世のはじまり 不可能を可能にする知恵 1 この世とあの世の境界 2 境界をこの世に引き込む例光より速い光を考える B 円周は約 180 万 km 光は 180 万 km/ 秒で移動する 光のスピードはこの世で最も速いもの 30 万 km/ 秒 光は 6km/ 秒で移動する 半径 30 万 km 灯台のパラドクス この世 ( 宇宙 ) のはじまり 1 はじまり より前 : 特異点 境界問題 無境界仮説 ( ホーキング ) 2 はじまり : ド ジッターの宇宙 A 半径 1km 円周は約 6km 毎秒 1 回転する灯台 3 インフレーション ( 広義のビックバン ) の開始最小の時間 K, sec 後プランク単位 1 インフレーションの時期 sec 以降重力が 分岐する 2 ビックバンの時期 sec 以降素粒子の形成 強い力の分岐 バリオン数の決定 弱い力と電磁力の分岐 3 クォークの閉じこめ K, 10-8 sec 以降弱い力がはたらきはじめる 陽子と中性子が形成 ニュートリノの海 4 原子核の形成 K, 3 分以降 ( sec) 強い力の物質化終了 強い力が働きはじめる 陽子と中性子が結合して 重水素やヘリウムが 形成される 5 宇宙の晴れ上がり 3000K, 30 万年 ( sec) 以降 電磁気力の物質化終了 光は直進でき 宇宙の晴れ上がり 宇宙背景放射 ( 現在 3K) 重力の物質化終了 重力が働きはじめる 重力強い力弱い力電磁気力弱い力の物質化強い力の物質化10 10 K, 10 2 sec 後 1028K, 10-34sec 後 1016K, 10-11sec 後 K, 10-5 sec 後 電3000K, sec 後 磁気力の物質化4 ビックバン ( 狭義 ) の開始 K, sec 後 ものと力のはじまり 重力の物質化1032K, 10-44sec 後 6 ビッグバンへの反論 : 定常宇宙論フレッド ホイル卿 (Fred Hoyle;2001 年死去 ) ホイルはビックバン宇宙論の名付け親 無冠の科学者ホイル 宇宙のつくり ( 構造 ) のはじまり 1 スターバースト数億年 (10 16 sec) 後 2 銀河ができはじめる 10~20 億年 (3.5~ sec) 後 3 銀河団の形成 30 億年 ( sec) 後 4 最初の星の形成 40 億年 ( sec) 後 われわれのはじまり 約 100 億年 ( sec) 後太陽系の誕生と地球の形成 生命誕生 人類誕生 現在 3K, 150 億年 ( sec) 後私たちがいて この世 について考える

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