ア・ブリーフ・ヒストリー・オブ・タイム まとめ｜スティーヴン・ホーキング博士
ビッグバンからブラックホールまで
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概要
ア・ブリーフ・ヒストリー・オブ・タイム は、私たちの宇宙の起源と本質について簡潔にまとめたものです。スティーブン・ホーキング博士は、私たちの科学的理解の進化を読者に案内しています。1600年代のニュートンの重力の法則から始まり、現代の宇宙の始まりの理論に至るまで。本書は、宇宙を知るための明快でわかりやすいガイドブックです。ブラックホールからタイムトラベルまで、この宇宙で最も本質的な謎のいくつかをスティーブン・ホーキングが解説しています。
スティーブン・ホーキング博士の視点
スティーブン・ホーキング博士 は、歴史上最も優れた理論物理学者の一人とみなされている。ビッグバンからブラックホールまで、宇宙の起源と構造に関する彼の研究は、この分野に革命をもたらした。ホーキング博士はオックスフォードで医師の家庭に生まれました。1959年10月、オックスフォード大学ユニバーシティ・カレッジで大学教育を受ける。物理学で第一級の学士号を取得した。1962年10月、ケンブリッジのトリニティ・ホールで大学院に入学。1966年3月、応用数学と理論物理学（一般相対性理論と宇宙論）で博士号を取得する。1979年から2009年まで、ケンブリッジ大学のルーカシアン数学教授を務めた。ケンブリッジ大学で宇宙論を研究していた21歳のとき、筋萎縮性側索硬化症（ALS）と診断される。彼の人生の一部は、2014年の映画『The Theory of Everything』で描かれた。
過去の理論が未来を予言する
スティーブン・ホーキング博士は、「理論とは、私たちの環境における観察を正確に説明するモデルである」と読者に説明しています。最も広く受け入れられている理論は、複数の実験による一貫した知見によって裏付けられています。これらの理論は、私たちの環境の中で物事がどのように、そしてなぜ起こるのかを説明します。
ホーキング博士は、理論の発展に伴う2つの利点を挙げている。
- 理論は、科学者が将来の出来事について予測するための基礎を提供する。ホーキング博士は、ニュートンの重力理論の例を挙げています。この理論によって、科学者は将来の惑星の動きを予測することができるようになったのです。
- 理論が完全に統合されることはありません。つまり、より多くの証拠が表面化するにつれて、継続的に改善することができるのです。この反証可能な性質は、私たちの知識を発展させるために非常に重要です。
科学理論によって、私たちは未来の宇宙の姿を推し量ることができます。しかし、常に進化を続け、より正確な未来予測ができるようになっています。
ニュートンの重力理論は、私たちの理解を大きく前進させた
ニュートンの重力理論は革命的だった。1600年代、人々は物体は当然絶対安静であると信じていた。したがって、何もしなければ、物体は静止したままである。ニュートンは、この考えを覆し、宇宙のすべての物体は常に動いていることを示唆した。この理論は、ニュートンが惑星が互いに関連して絶えず動いているのを観察したことによって裏付けられました。
ニュートンの三法則
ニュートンの発見をもとに、彼は3つの法則を打ち立てた。
- すべての物体は、他の力が作用しなければ、直線的に動き続ける。
- 物体は、作用する力に比例して速度が上がります。また、物体の質量が大きいほど、力はその運動に影響を及ぼさない。
- 宇宙に存在するすべての物体は、それぞれの物体の質量に比例した力で他の物体を引き寄せます。
ニュートンの理論を覆す光の速さ
私たちは他の物体に対して常に相対的に運動しているので、ニュートンは速度を他の物体との相対的なものとして説明しました。しかし、ホーキング博士は、光の速度の理解がニュートンの理論のこの部分に疑問を投げかけたと説明する。光の速度は、相対的ではなく、常に一定でなければならない。それは常に1秒間に186,000マイルである。このニュートン理論の穴を解決したのは、20世紀初頭、アルバート・アインシュタインであった。具体的には、アインシュタインの相対性理論である。
時間は固定されていない
相対性理論は、ニュートンの重力理論の上に、光の速度が一定であることを説明したものである。アインシュタインは、科学の法則は自由に動く観測者すべてに対して同じであることを示唆した。そのため、光速が一定であることを説明する。自由に動く観測者の速度に関係なく、光の速度は同じになる。この原理は、時間は固定されたものではなく、相対的なものであることを意味している。
ホーキング博士はこの点を説明するために、ある例えを用いている。2人の観測者に向けて閃光が放たれたとする。一方の観測者は光に向かって進み、もう一方は反対方向に速く進んでいる。光の速度は一定なので、どちらの観測者も同じ速度のままである。しかし、時間は、移動距離を速度で割った値で決まります。したがって、2人の観測者は異なる時点で放射された光を知覚することになります。このことは、どちらの観測者も、光が最初に放射された時刻を正しく記録していないことを意味します。つまり、時間は相対的なものであり、それぞれの観測者に固有のものなのです。
量子状態が素粒子の測定に役立つ
すべての物質は粒子で構成されています。したがって、宇宙をよりよく理解するためには、粒子の振る舞いや速度など、粒子を理解する必要があります。しかし、粒子は特に測定が難しいとホーキング博士は説明します。粒子の位置を正確に測ろうとすればするほど、その速度は不確かになります。同様に、その速度を正確に測ろうとすればするほど、粒子の位置は特定できなくなります。この現象は1920年代に発見され、「不確定性原理」と呼ばれている。
そこで科学者たちは、粒子を測定することの限界を克服するために、粒子の量子状態を測定するようになった。量子状態は、粒子の位置と速度の多くの可能性を組み合わせたものである。したがって、現在のところ、科学者が粒子の正確な位置と速度を観察することは不可能である。その代わりに、粒子が存在しうるすべての場所を追跡し、その中で最も可能性が高い場所を特定する必要がある。そのためには、粒子を波として観測する必要がある。
粒子が現れるさまざまな位置は、連続した振動波のように見えるので、プロットすることができます。粒子の位置は、円弧と凹みが互いに一致するところに生じる可能性が最も高い。
時空を曲げる巨大な物体が重力を発生させる
ホーキング博士は、巨大な物体の重力が時空を湾曲させると説明しています。さらに、我々の太陽のような巨大な質量は時空を変化させる。時空を、毛布を伸ばして宙に浮かせたようなものだと想像してください。毛布の真ん中に物体を置くと、毛布は湾曲し、物体は沈む。このカーブが生まれると、他の物体もこのカーブに沿って時空を移動する。ホーキング博士は、これは物体が常に2点間の最短経路を横切るからだと説明しています。大きな物体の場合、これは円軌道になります。
時空とは、私たちの世界の中にある4番目の次元のことです。物理学者は、時空を利用して宇宙の中の事象を記述する。物理学者にとって、ある事象は空間と時間の特定の位置で発生する。相対性理論では、時間は相対的なものであるとされているため、科学者は時間を考慮しなければならない。相対性理論では、時間は相対的なものであるとされているため、時間を考慮しなければならない。時空を理解することで、重力の理論を発展させることができたのです。
星の崩壊がブラックホールを生み出す
星は、熱や光を生み出すために膨大なエネルギーを必要とします。しかも、寿命が長いことが多いので、この量が蓄積されていきます。このエネルギーが尽きると、星は死にます。そして、星の大きさによって、この星の死の産物が決まります。例えば、大質量の星からはブラックホールが生まれます。
ホーキング博士は、巨大な星の死がなぜブラックホールを生み出すのかについて概説しています。ブラックホールは、巨大な星の重力が非常に強いため、このような出来事から生まれます。星はその強い重力によって崩壊しないようにエネルギーを使っています。しかし、星がエネルギーを使い果たすと、自ら崩壊を始める。周囲の物質はすべて、特異点と呼ばれる無限に密度の高い球状の点に向かって内側に引っ張られる。この特異点が、私たちがブラックホールと呼ぶものです。
ブラックホールの引力は非常に強く、光はそれに沿って曲がっていく。さらに、その強い重力は、周囲の特定の境界を越えたものが再び脱出するのを妨げます。ホーキング博士は、この「戻れない点」を「事象の地平線」と呼ぶと指摘している。光は宇宙で最も速く移動するものです。しかし、光でさえもブラックホールから逃れることはできない。光はブラックホールから逃れられないので、ブラックホールを観測することのジレンマが浮き彫りになっています。しかし、科学者たちは、宇宙への重力の影響や、ブラックホールが物質を吸い込み、引き裂くときに発生するX線などを探しているのです。
時間は前にしか進めない
ホーキング博士は『A Brief History of Time』の中で、宇宙の膨張によって時間が前に進むと説明している。しかし、何人かの科学者は、宇宙が収縮を始め、時間が逆行し始めるという可能性をあきらめていない。にもかかわらず、ホーキング博士は、時間は前にしか進まないことを示唆するいくつかの強力な指標があると主張しています。
時の矢
熱力学の第二法則にエントロピーというものがあります。エントロピーは、無秩序が時間とともに増加する傾向があることを示唆している。無秩序は一般に自発的に再秩序化することはなく、時間は前進するのみであることを示唆している。例えば、割れたコップが自然に再整理されることはない。これが時間の熱力学的な矢印である。同じように、あなたはこのコップが割れたという記憶を持つようになる。しかし、その前に、コップが床に置かれた未来の位置を思い出すことはできない。これが時間の心理的矢印です。最後に、宇宙論的時間の矢印とは、宇宙が膨張していることを指します。宇宙が膨張すると、エントロピーが増大する。
仮に、宇宙の無秩序が極限に達したとしよう。その場合、宇宙は収縮を始め、宇宙論的な時間の矢が逆転する可能性があります。しかし、私たちはそれを知ることができない。なぜなら、知的生命体は無秩序が増大することによってのみ存在することができるからだ。なぜなら、私たちは食物を分解してエネルギーに変えるのに、エントロピーのプロセスに依存しているからです。その結果、いつか時間が逆行するかもしれない。しかし、私たちはそれを見ることはできないだろう。
4つの基本的な力
重力は宇宙の基本的な力の1つです。しかし、ホーキング博士は他にも3つの宇宙の基本的な力について述べています。
電磁力
電磁力は電荷を持つすべての粒子で観測することができる。電子やクォークも含まれる。また、この力は、磁石が冷蔵庫にくっつくような事象を生み出します。これらの力には、引き合う力と反発する力があります。正と負に帯電した粒子の間には吸引力が生じます。逆に、同じように帯電した2つの粒子が出会うと、反発が起こります。ホーキング博士は、この力が重力よりもはるかに強く、最小の原子にさえ影響を与えることを強調しています。
弱い核力
弱い核力は、物質を構成するすべての粒子に作用する。この力は近距離でしか力を発揮できないため、弱いとされている。核力は放射能を発生させる。エネルギーが高くなると、弱い核力の強さが増し、電磁気力と一致するようになる。
強い核力
この核力は、原子核の中の陽子と中性子を結合させることができます。同様に、陽子や中性子の中にある小さなクォークを結合させることもできます。強い核力は弱い核力と異なり、エネルギーが高くなると弱くなる。
グランドユニフィケーションエネルギー
大統一エネルギーと呼ばれる高エネルギーの状態が存在する。この状態は、3つの力がすべて同じ強さになったときに起こります。そうすることで、3つの力は1つの力の異なる側面となるのです。ホーキング博士は、この統一された力が宇宙創成に重要な役割を果たした可能性を示唆している。
ビッグバンはどのように起こったのか？
科学者たちは、ビッグバンが起こったということではほとんど意見が一致しています。しかし、多くの科学者の意見が分かれるのは、ビッグバンがどのように起こったかという点です。しかし、ビッグバンがどのようにして起こったかについては、2つの有力な説があります。
ホットビッグバンモデル
- 宇宙の始まりは、大きさがゼロで、無限に熱く、密度が高い状態でした。
- ビッグバンによって膨張が起こり、その後、宇宙の温度は冷やされました。この冷却の理由は、温度がさらに広がったからです。
- この拡張の最初の数時間で、現在の宇宙のほとんどの元素が作られた。
- 宇宙の中の大きな天体が重力によって回転し始め、銀河が誕生したのです。
- そして、その銀河の中で水素やヘリウムのガスの雲が崩壊し始めたのです。この崩壊と原子の衝突により、核融合反応が起こりました。この核融合反応が星の起源です。
- これらの星が死んで崩壊すると、星が大爆発を起こし、さらに多くの元素が宇宙に放出された。これらの元素は、より多くの星や惑星を作るのに役立ったのです。
インフレ・モデル
- 初期宇宙のエネルギーは非常に高く、上に述べた3つの力の強さは等しかった。
- 宇宙の膨張に伴い、この3つの力はそれぞれ異なる強さを持つようになった。これは急速に起こったことです。
- 力の強弱が分かれることで、膨大なエネルギーが放出された。
- エネルギーが放出されることで、反重力効果が発生したのだ。
- 反重力効果により、宇宙はさらに急速に膨張した。
結びの言葉
「もし、すべてを支配する完全な統一理論が本当にあるとすれば、それはあなたの行動も支配していると考えられる。しかし、人間のような複雑な生物では計算不可能な方法でそうなっているのです。人間に自由意志があると言われるのは、人間が何をするか予測できないからです。"
- スティーブン・ホーキング博士
評価
ストーリーショット 評価4.4/5
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