科学で説明する 宇宙の直径はなぜ年齢を超えるのか？

宇宙の大きさ

光の速度は、私たちの宇宙で最も重要かつ基本的な特性の一つです。 距離を測ったり、惑星間の通信に使われたり、さまざまな数学的計算に使われたりします。

光が真空中を進む速度、毎秒 299,792 km (186,282 miles) は固定で変化しません。 この定数を取り除いてしまうと、さまざまな理由で現代物理学の根幹が崩れてしまいますが、一般的な法則をまとめるとこうなります。

想像できるように、宇宙が138億光年（宇宙の年齢に相当する数字）ではないという事実を考慮すると、いくつかの混乱が生じます。 現在の推定では、宇宙の直径は930億光年と推定され、実際にはかなり大きいのです。 これは、私たちが見ることができるものだけです。

では、宇宙の年齢がわずか138億年で、何も光より速く移動できないのに、どうして930億光年の幅があるのでしょうか？

Understanding Redshift

なぜ宇宙の大きさがその年齢よりずっと大きいかを理解する前に、光の仕組みだけを理解することが重要です。

アイザック・ニュートン卿は、疑いなく史上最も偉大な頭脳の一人です。

まず、彼の研究によって、黒は色がない状態であり、白色光（太陽や他の星から来る光）はすべての色が組み合わさっていることが明らかになった。 プリズムを通して物体の光を見ると、その光が表す元素がわかり、その元素から物体の組成や温度、さらには進化の過程を知ることができるのです。

さまざまな意味で、ニュートンの研究は物理学に革命を起こし、ニールス・ボーアやマックス・プランク、そしてもちろんアルバート・アインシュタインを含むすべての偉人たちへの道を切り開いたのです。 しかし、ここでは、ニュートンの研究を発展させた最も重要な科学者は、クリスチャン・ドップラーという人物である。

ドップラーはニュートンの死後数百年経って有名になりましたが、彼の仕事をご存じない方は、現在ドップラー効果と呼ばれていることを発見したのです。 このプロセスは、宇宙からの光の一部が電磁スペクトルの赤の端に到達する傾向がある一方で、青の端に近い光もある理由を説明します。

簡単に言うと、ドップラー効果とは、何かがこちらに向かってくるか遠ざかるかといった、光源の移動方向に基づいて光の波長がシフトする仕組みのことです。 具体的には、光源が観測者から遠ざかると光の波が引き伸ばされ、赤く（波長が長く）見えるようになります。

途中で、画期的なことが起こりました。 最終的に、ほとんどすべての銀河が、より長い波長に向かってシフトしているように見えたのです。つまり、銀河が赤く見え、私たちから遠ざかっているように見えたのです。 さらに驚くべきことに、ほとんどのものが我々から遠ざかっているだけでなく、この赤方偏移は増加しており、天体がどんどん我々から遠ざかっていることを意味していました。

宇宙の膨張

ここからが厄介なのですが、宇宙が膨張していることを発見しました。 赤方偏移の観測から、3倍遠い天体は、近くの銀河に対して3倍速く動いていることがわかりました。 宇宙を遠く見れば見るほど、銀河の動きは速くなります。実際、これだけ遠いと、光速を簡単に超えてしまうほど速く動いているのです。 しかし、先に述べたように、光速は世界共通の限界速度です。

まず、私たちが見ることができるものには限りがありますが、実際の宇宙は私たちが理解できるよりもはるかに遠くに広がっていることに注意してください。

• 1000 万個の超銀河団
• 250 億個の銀河群
• 3500 億個の巨大銀河
• 7 兆個の矮小銀河
• 300 兆個の (3×10²) 星

もしこれが 13.6 億個の中に入っていたとしたら…。これが137億光年の時空に収まっているとしたら、宇宙はかなり詰まっているように見えるでしょう。

光が進む距離から、宇宙の大きさは年数に等しいはずだという仮定に対する最初の問題は、ビッグバン後の最初の数瞬を見たときにやってきます。

約137億5000万年前に宇宙が初めて「ポップ」したとき、光速を超える速度で時空自体が拡大し始めたのである。 この時代はインフレーションと呼ばれ、宇宙の大きさ以上のものを説明するのに不可欠です。

基本的に、宇宙は無限に密度が高く熱い状態から、陽子と中性子があふれる広大な領域に移行したのです。 最初のインフレーションが収まった後、膨張のスピードは遅くなった。

Faster Than Light

まだ解明されていない手段により、この膨張は光速よりも速く起こっているように見えますが、それは皆さんが思っているような意味ではないのです。 相対性理論では、物体は時空間を光速より速く移動することはできないとしています。

つまり、要約すると、空間の大きさは基本的な物理学と矛盾しない、ということになりますね。

本質的に、銀河自体（および空間内の他の物体）は、光よりも速く空間を移動していない（少なくとも、従来の意味において）ので、何の法則も破っていない。 むしろ、空間のあらゆる部分が膨張・伸張しているのです。 端が外側に飛んでいるわけでもなく、時空そのもの、つまり銀河、星、惑星、あなたと私の間の領域が伸びているのです。

要するに、時空は拡大して、物質を押し退けている。

面白い余談ですが、残念ながら、膨張は宇宙の未来に暗い影響を及ぼします。 膨張が無限に続くと仮定すると (そして減速しないと仮定すると)、可視宇宙の地平線は徐々に狭まり、ある銀河からの光が他の銀河に届かないほど、単に天体の距離が離れていくだけになってしまいます」

その点、今見えているものの多くは元々はもっと近かったのです。 膨張のおかげで、これらの天体は持ち去られ、いくつかの銀河やその他の天体は赤方偏移で存在しなくなりました（あるいは、とにかく私たちの視界から消えました）。 最も遠い銀河は、宇宙がまだ数百万歳だった頃に形成された、宇宙で最も古いものの1つであり、その大部分はもはや存在しないか、今日の宇宙のまったく別の場所に位置している可能性があります。

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