セオリー・オブ・エブリシング まとめ｜スティーヴン・ホーキング博士

宇宙の起源と運命

1-要約

セオリー・オブ・エブリシング スティーブン・ホーキング博士は、ビッグバンからブラックホールまで、宇宙の謎を簡潔かつ深く探求している。

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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た。1959年、オックスフォードのユニバーシティ・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。1962年、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、一般相対性理論と宇宙論を専門とする応用数学と理論物理学の博士号を取得。アイザック・ニュートンと同様、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）と診断された。彼の人生の物語の一部は、2014年に公開された映画 セオリー・オブ・エブリシング.

はじめに

セオリー・オブ・エブリシング は、スティーブン・ホーキング博士が行った一連の講義です。これらの講義の目的は、科学者が信じている宇宙の歴史の概要を説明することです。その結果、彼は宇宙に関する科学の理解の歴史を提供します。さらに、ビッグバン直後の出来事についても明確に説明されています。また、ホーキング博士が最も得意とする宇宙論の分野である「ブラックホール」についても取り上げています。

StoryShot #1:宇宙に関する4つの原論

アリストテレス

アリストテレスは、紀元前340年という早い時期に、丸い地球という考え方を考えていた。その著書の中で オン・ザ・ヘブン地球が球体であることを示唆する2つの説について書いています。まず、地球が太陽と月の間にあることで月食が起こることを観察していました。月に映る地球の影は常に丸いので、地球が丸いことを示唆したのである。アリストテレスは、北極星は南方から見ると低い位置にあることを旅先で知った。これもまた、地球が円盤状ではなく球状であることを示唆している。アリストテレスの結論は正しかったが、彼の理論にはまだ欠陥があった。例えば、地球は静止しており、太陽、月、惑星、星は地球の周りを円軌道を描いていると考えていた。 

プトレマイオス

紀元1世紀、プトレマイオスはこれらの考えを基に、地球を中心とする完全な宇宙モデルを構築した。彼は、地球を中心とした完全な宇宙論的モデルを作り上げた。地球を中心に、月、太陽、星、そして5つの惑星を乗せた8つの球体が地球を取り囲んでいた。この5つの惑星とは、水星、金星、火星、木星、土星である。プトレマイオスの理論には、ここでも明らかな間違いがあった。しかし、彼はアリストテレスの考えを発展させ、夜間に見える建造物の位置を予測するための合理的に正確なシステムを提供したのである。この説は、地球を宇宙の中心に置くということもあり、キリスト教会では一般に受け入れられていた。 

コペルニクス

1514年、ニコラス・コペルニクスが、もっとシンプルな宇宙モデルを提案した。コペルニクスはポーランドの司祭であった。そして、異端とされるのを恐れて、自分のモデルを匿名で発表した。コペルニクスは、太陽は宇宙の中心で静止していると主張した。地球や惑星は太陽の周りを円軌道を描いて動いている。この考えは、約100年後まで誰も真に受けなかった。この時点で、ヨハネス・ケプラーとガリレオ・ガリレイがこの説を公的に支持し始めた。最近発明された望遠鏡は、地球が宇宙の中心ではないというコペルニクスの考えを支持するものだった。ガリレオは、木星の周りをいくつかの月が回っていることを観察した。これは、すべての天体が地球の周りを回っている必要はないことを意味している。しかし、地球が宇宙の中心でないことを否定する人もいた。彼らは、木星の衛星は地球の周りを非常に複雑な軌道で動いており、木星の周りを回っていることを示唆する、と述べた。 

ニュートン

1687年、ニュートンは彼の 自然哲学の数理y.ホーキング博士は、この本を物理科学の分野でこれまで出版された中で最も重要な著作と言えると述べています。この本の中でニュートンは、物体が空間と時間の中でどのように動くかについての理論を提案しました。この理論では、万有引力という新しい考え方も説明されている。ニュートンは、宇宙に存在するすべての天体は、他のすべての天体に引き寄せられることを示唆した。天体が大きければ大きいほど、その引力は強くなる。さらにニュートンは、重力によって月が地球の周りを楕円の軌道で回っていることを明らかにした。同様に、地球や惑星も太陽の周りを楕円の軌道で回っている。

20世紀以前は、このような進歩にもかかわらず、宇宙の膨張や収縮を示唆するものはまだなかった。宇宙は永遠に安定した状態で存在するか、過去の有限の時間に作られたかのどちらかであると一般に考えられていたのである。しかし、何人かの学者は、無限の静止した宇宙の可能性に疑問を呈した。例えば、ハインリッヒ・オルバースは、無限の静止宇宙では、ほとんどすべての線や辺が星の表面で終わってしまうと主張した。その結果、夜でも全天が太陽のように明るくなると予想される。この結論を避けるには、星が永遠に輝き続けるわけではない場合しかない。例えば、過去のある有限の時間に点灯した可能性がある。

StoryShot #2 膨張する宇宙

複数の銀河

私たちの太陽も、近くの星々も、すべて天の川銀河の一部なのです。長い間、天の川銀河が宇宙の全てであるというコンセンサスがありました。しかし、1925年、エドウィン・ハッブルが天の川銀河だけが銀河ではないことを証明しました。しかし、1925年、エドウィン・ハッブルは、天の川銀河が唯一の銀河ではないことを証明し、銀河と銀河の間に広大な空間を持つ銀河を多数発見した。自分の説が正しいことを証明するためには、これらの空白の空間がどの程度広がっているかを特定する必要があったのです。 

星と地球との距離を直接的に確認する方法のひとつに、明るさによる方法があります。星の明るさは、星の光度とその星の距離に基づいて決まる。したがって、ある星の光度がわかれば、その見かけの明るさを使って距離を計算することができる。ハッブルは、ある種の星は、私たちが測定できるほど近くにあるとき、常に同じ明るさを持っていると主張しました。もし、他の銀河系でそのような星が見つかったら、同じ明るさを持っていると考えることができるのです。そうすれば、その銀河までの距離を計算することができます。同じ銀河にある多くの星が同じ距離を示した場合、その推定値が正確であることをある程度確信することができる。ハッブルは、この方法で9つの銀河までの距離を計算しました。私たちの銀河系は、現代の望遠鏡で観測できる10億個の銀河のうちの1つに過ぎないことが分かっています。それぞれの銀河の中には、10億個もの星があるのです。 

膨張する宇宙

ハッブルは、自分が観測した銀河がすべて赤方偏移に見えることを突き止めました。赤方偏移は、天文学者にとって重要な概念です。文字どおり理解することができます。光の波長が引き伸ばされ、その結果、光が 移り気 は、スペクトルの赤い部分に向かっている。これは、それぞれの銀河が我々から遠ざかっていることを意味します。さらに、各銀河が我々から遠ざかる速度は、その距離によって異なる。銀河が遠ければ遠いほど、私たちから遠ざかる速度は速くなります。ホーキング博士は、この発見を20世紀における驚異的な知的啓示のひとつと表現しています。 

一般相対性理論とフリードマン方程式の構築

ソ連の物理学者・数学者であるアレクサンダー・フリードマンは、膨張宇宙仮説を説明するために一般相対性理論のモデルを開発した。

フリードマンは、宇宙の膨張があまりに遅いため、異なる銀河間の重力引力が宇宙の膨張を遅らせていることを示した。その結果、膨張が止まってしまうかもしれない。そうすると、宇宙が収縮するにつれて、銀河は互いに向かって動き始めるでしょう。 

また、フリードマンは、宇宙が急速に膨張しているため、引力がこの膨張を止めない可能性を示唆した。少しは減速するかもしれませんが、いずれは銀河が一定の速度で離れていく状態になるのです。 

最後に、フリードマンは、宇宙が収縮しない程度の速さで膨張しているという解決策を提示した。この解決策では、銀河が離れていく速度は小さくなっていく。しかし、その速度はゼロになることはなく、実質的にゼロに近い状態になる。

現在、宇宙は1億年ごとに5パーセントから10パーセントの割合で膨張しているので、銀河の膨張についてはわかっています。しかし、銀河の質量がわからないため、フリードマンの解のうちどれが正しいのかがわかりません。銀河の質量を特定するのは難しいのですが、暗黒物質が銀河全体に存在するためです。暗黒物質は、光を吸収したり反射したり放出したりしない粒子で構成されているため、電磁波を観測しても検出することができない。私たちは暗黒物質を直接見ることができないのです。暗黒物質が存在するのは、私たちが直接観測できる物体に影響を与えるからです。また、暗黒物質の質量を簡単に特定することはできません。

ビッグバン 

フリードマン解は、100億年から200億年前の間に、隣り合う銀河の距離がゼロになったはずだとするものだ。ビッグバンと呼ばれるその時点では、宇宙の密度と時空の曲率は無限大だったはずだ。つまり、一般相対性理論が予言する宇宙の特異点である。

宇宙の特異点の問題は、これが聖書的な観点を支えていることです。そのため、教会はビッグバンを神の介入であるとして採用しました。こうして、ビッグバンの結論を回避する試みがいくつか行われました。その代案が定常説であった。定常説は1948年に提案され、銀河は互いに遠ざかると主張しました。しかし、その隙間には新しい銀河が絶えず形成されていたのです。この新しい銀河は、絶えず生み出されている新しい物質から形成されているのです。したがって、宇宙はどの時代でも、どの地点でも、ほぼ同じ姿をしていることになる。

StoryShot #3: ブラックホールの概念

ブラックホール」という言葉は、比較的最近のものである。1969年にジョン・ホイーラーによって作られた造語だが、概念としては少なくとも200年以上前のものである。2世紀前、光については2つの理論があった。1つは、光は粒子で構成されていると主張するもの。もう1つは、光は波であるとする説である。実際には、この二つの理論はどちらも正しい。粒子説を信じる人々は、このことが星についての理解に影響を与えると主張しました。星は質量があり、かつコンパクトなので、星の表面から発せられる光は重力で引き戻されると考えたのです。その星は、私たちが観測できるほど遠くまで光を放たないかもしれませんが、それでも私たちはその重力を感じることができるのです。このような星を、私たちはブラックホールと呼んでいます。 

星の一生

ブラックホール形成を理解するためには、星の一生を理解する必要があります。星は、大量の水素が重力によって自ら崩壊することで形成される。収縮すると、ガスが頻繁に衝突するようになる。ガスは高速で移動するため、熱を帯びます。星が臨界温度に達すると、水素原子は互いにぶつかり合うのをやめ、合体してヘリウムを形成します。星が臨界温度に達すると、水素原子はぶつかり合うのをやめ、合体してヘリウム原子になります。星はその熱で輝き、燃料である水素がなくなるまで燃え続けます。 

星は、最初に燃料が多くなればなるほど、すぐに尽きてしまう。これは、星の大きさによるもので、重力と釣り合うだけの熱量が必要になる。熱量が多ければ多いほど、より多くの水素が必要になる。私たちの太陽は、おそらくあと5億年ぐらいは十分なパワーをもっている。

チャンドラセカール限界

インド系アメリカ人の天体物理学者であるスブラマニヤン・チャンドラセカールは、相対性理論を用いて、星の粒子の速度差に限界があることを示した。粒子は光速より速く動くことはできない。

安定した 白色矮星 星には最大質量があります。この質量に達すると、重力の引力が強くなり、自ら崩壊してしまうのです。チャンドラセカール限界は、私たちの太陽の質量の約1.4倍です。 

もう一つの潜在的な星の状態として 中性子 星の状態です。白色矮星よりもはるかに小さい星である。通常の電子の関係とは対照的に、中性子と陽子の間の排除反発によって支えられている。これらの中性子星は、半径がおよそ10マイルしかない。 

最後に、限界を超えた星は、燃料が尽きると爆発する可能性があります。アインシュタインをはじめ、多くの科学者が、このようなことはありえないという論文を書きました。こうした反対意見にもかかわらず、チャンドラセカール氏は、冷たい星の限界質量に関する初期の研究で、1983年にノーベル賞を受賞した。 

ブラックホール形成の概要

1. 星の重力場は、時空間における光線の経路を変化させる。
2. ライトコーンは、閃光が空間と時間の中でたどった道筋を示すものです。星の表面付近で内側に曲がっている。
3. 星が収縮すると、その表面で重力場が強くなる。円錐形の光はより曲がる。
4. このため、星からの光が逃げにくくなります。その結果、観測者からは光が暗くなったり、赤く見えたりするのです。 
5. 十分な収縮が起こると、表面の重力場が強くなり、光が逃げられなくなる。 
6. 光より速く移動できるものはないので、この重力場から逃れられるものはない。

このブラックホールの境界線が「事象の地平線」である。これは、ブラックホールから脱出できなかった光線の経路と一致する。

ホーキング博士の発見

「ペンローズと私が1965年から1970年にかけて行った研究により、一般相対性理論によれば、ブラックホール内に無限大の密度を持つ特異点が存在するはずであることが示されました。これは、時間の始まりのビッグバンのようなものですが、崩壊する身体と宇宙飛行士にとっては時間の終わりとなります。特異点では、科学の法則も、未来を予測する能力も崩壊してしまう。しかし、ブラックホールの外にいる観測者は、特異点から光や他の信号が届かないため、この予測不可能な事態に影響されない。

- スティーブン・ホーキング、『万物の霊長類（The Theory of Everything

この言葉は、一般相対性理論に解があることを示唆している。宇宙飛行士が特異点を見ることで、特異点への衝突を避けることができるかもしれない。ワームホールを通過して、宇宙の別の領域に空間と時間を移動することができる。しかし、ホーキング博士は、一般相対性理論に対するこれらの解が不安定であることを認めている。宇宙飛行士の存在は、結果を変えてしまうような擾乱を引き起こすかもしれない。また、特異点にぶつかるまで特異点が見えず、その後に死んでしまうかもしれない。特異点は常に彼らの未来にあり、決して過去にはないのだ。

ブラックホールは、観測的な証拠を得る前に数学的なモデルとして開発された科学理論の例である。 

その他の注目すべき用語

クエーサー クエーサーは、非常に明るい活動銀河核（AGN）です。質量が太陽の数百万倍から数十億倍もある超巨大ブラックホール。ガス状の降着円盤が周囲を取り囲んでいる。

パルサー:パルサーとは、回転する中性子星のこと。パルサーは、磁場と周囲の物質との間にある指向性により、パルス状の電波を放射している。 

StoryShot #4:宇宙の起源と運命

1980年代、バチカンはホーキング博士を宇宙論に関する会議に招待した。カトリック教会は、ガリレオを黙らせた経験から、科学的発見を妨げてはならないことを学んでいた。そこで、多くの専門家を招いて宇宙論についてアドバイスしてもらうのがベターな方法だと考えたのだ。にもかかわらず、ローマ法王はホーキング博士に「ビッグバンを研究してはいけない」と言った。ローマ法王は、ビッグバンを創造の瞬間と捉えていたのである。ホーキング博士はこの要求を聞き入れなかった。 

ホットビッグバンモデル

• このモデルは、フリードマンのモデルが宇宙を記述していると仮定しています。
• 宇宙は膨張しており、物質や放射線の温度を下げている。温度とは、粒子の平均的なエネルギーを示す指標である。したがって、高温では、粒子は非常に速く動き、互いに引き合うことはない。しかし、冷えると、粒子は固まり始める。
• ビッグバンとは、宇宙の大きさがゼロの時で、つまり、宇宙は無限に熱かったはずです。宇宙が膨張するにつれて、放射線の温度は下がっていったはずです。
• にもかかわらず、ビッグバンは約10000000000度で起こったことになる。これは水爆の爆発温度である。
• 世界は、光子、電子、ニュートリノ、そして一部の陽子と中性子で構成されていたのです。
• 宇宙は膨張を続け、温度は低下した。電子対の生成速度は、消滅によって電子対が破壊される速度を下回るようになったのだろう。
• 100秒後、温度は1億度まで下がっているだろう。これは最も高温の星の温度である。この温度では、陽子と中性子は核力の強い引力から逃れるためのエネルギーを持たない。
• この陽子と中性子が結合してそして、重水素やヘリウム原子の原子核や、リチウムやベリリウムなどの少量の元素を作り出したのです。 
• ビッグバンから数時間のうちに、ヘリウムやその他の元素の生成は停止していたはずです。その後、100万年ほどの間、宇宙は膨張を続けました。
• やがて、温度は数千度まで下がった。電子と原子核は、電磁波の引力に勝てなくなったのだ。電子と原子核が結合して原子を形成するようになったのだろう。
• 宇宙は膨張と冷却を続けていた。わずかに密度の高い領域は、余分な重力引力によって速度が低下した。この引力は膨張を止め、再崩壊につながった。これらの領域の外側にある物質の重力によって、原子は崩壊しながら回転した。
• 崩壊した部分がさらに小さくなると、回転が速くなる。やがて、重力と釣り合うほどの速さで回転するようになりました。これが、現在見られる円盤状の回転銀河の始まりの説明の可能性です。

StoryShot #5：「万物の理論」とは？

「もし完全な理論が見つかったら、一部の科学者だけでなく、すべての人が大筋で理解できるようになるはずです。そうすれば、なぜ宇宙が存在するのかという議論に参加することができるようになる。もし、その答えが見つかれば、それは人間の理性の究極の勝利となるでしょう。そうすれば、私たちは神の心を知ることができるのですから」。

- スティーブン・ホーキング、『万物の霊長類（The Theory of Everything

物理学は、宇宙の始まりについて、いくつかの部分的な理論で説明することができました。これらの理論は、限られた範囲の観測結果を説明するものである。また、まだ解明されていない他の効果も無視されています。宇宙論と物理学の目標は、完全で一貫性のある統一理論を見つけることである。スティーブン・ホーキングはこれを物理学の統一と表現している。

アインシュタインは、晩年のほとんどをこの統一理論の模索に費やした。現在、私たちはアインシュタインよりもはるかに強力な立場から統一的な見解を打ち出しています。 

スティーブン・ホーキング博士は、私たちが究極の自然法則を発見することに慎重かつ楽観的である。彼は、私たちが十分に賢くなれば、いつか完全な統一理論を見つけることができると確信している。この統一理論は究極の理論ではありません。その代わり、宇宙をより正確に記述する理論の無限の連続があるのです。

現在の量子物理学の見解は、宇宙の完全な秘密を解明するためのものです。スティーブン・ホーキング博士の著書は、宇宙の仕組みとその中の星の重要性を理解するための素晴らしい出発点となります。

評価

私たちの評価 セオリー・オブ・エブリシング 4/5.

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編集部注：初出：2022年1月24日。更新日：2022年2月26日

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