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先日「番組告知：NHK宇宙白熱教室（ローレンス・クラウス教授）」という記事で告知した４回シリーズ番組の４回目が昨夜放送された。（番組の音声を文字にしたものはこのページで読める。）
今回の講座の内容は数式を使った説明以外は「宇宙が始まる前には何があったのか?：ローレンス・クラウス」（Kindle版）（紹介記事）に沿うものだった。
高校で物理や数学が苦手だった方にとっては難しい数式があいかわらずたくさんでてきたが、そのような人にとっても話の筋が理解できる見せ方をしていたのがよかった。この番組について次のようにツイートされた方がいるのが目にとまった。まさにそのとおりだと思う。
「宇宙白熱教室見終わった。力学的エネルギーとか万有引力の法則とかケプラーの法則とか高校物理でやる話がこんなにもスケールの大きい話だとは・・・公転周期が同じだからケプラーの法則は成り立たなくなるとか面白すぎるし、話してた人の最後のまとめ方うますぎて涙でそうになりました。」
いつものように「主な内容」、「解説」、「良かった点、素晴らしいと思ったこと」、「改善したほうがよいと思ったこと」、「その他、気がついたこと」というくくりで感想をまとめておこう。
主な内容
このような流れで講義は進んだ。
- 単純な論理の積み重ねによって大発見がなされた。ガリレオ、ニュートンの発見の積み重ねである。
- グラフの解説。銀河系の外側を回る天体の公転速度はケプラーの法則に反して一定だった。それは何を意味するのか？
- 銀河系の外側には分子雲や球状星団、大マゼラン雲、小マゼラン雲が回っている。
- 重力の法則がスケールによって異なるから？その可能性は否定された。
- 質量が距離に比例して増えれば公転速度は一定になる。
- 銀河系の外側に目で見える通常の物質の１０倍の物質が存在することになってしまう。
- 女性天文学者ヴェラ・ルービン（1928〜）による発見。
- 彼女は他の天体（高温のガスなど）の公転速度が一定だということを発見。
- 測定したすべての銀河で公転速度は一定だった。
- 未知の物質の存在が明らかになった。ダークマター（暗黒物質）の発見。
- なぜ未知の素粒子であるかわかったのか？
- 銀河団の質量の測定が鍵だった。
- 1936年のアインシュタインの論文（マンドルによる依頼）。
- 1919年にエディントンの観測により光が重力で曲がることが観測された。
- これは重力レンズ効果を意味する。一般相対性理論が根拠。
- アインシュタインはこの論文の重要性は理解していなかった。
- 銀河団による重力レンズ効果の観測による実証。ハッブル望遠鏡による。
- 重力レンズ効果によって青い光は銀河団の５０億年先の１つの天体が複数に見える。
- これによって銀河団の質量分布を計算することができる。
- 質量分布の尖っているところは銀河の質量。
- そのまわりに１０倍の質量がまとわりついていることがわかった。
- 銀河と銀河の間には全体で銀河の質量- の４０倍もの質量が分布していることが計算された。
- 宇宙の質量のほとんどは目に見えないということがあらためて実証された。
- ダークマターの重力に引き寄せられて目に見える通常の物質（銀河）が存在している。
- これで通常の物質とダークマターをあわせた質量を測ることができた。
- ダークマターは未知の素粒子だとわかるのは、次元解析でわかる陽子と中性子の量より１０倍たくさんあるから。
- ダークマターは宇宙だけでなく、私たちの周囲にもある。
- 宇宙の未来を探るため、宇宙のエネルギーを調べたことを思い出してほしい。
- 重力レンズなどによる宇宙全体の質量Mの測定をした結果、宇宙の端の銀河Aを引き止めるのに必要な量の３０％しかなかった。（質量Mには通常物質とダークマターが含まれる。）
- これは運動エネルギーが位置エネルギーの３倍大きいことを意味する。つまり宇宙全体のエネルギーはプラスになる。
- これは宇宙は永遠に膨張することを意味する。でもこれは間違いであることがわかるようになる。
- そのために一般相対性理論を導き出そう。計算が始まる。（後述の解説を参照）
- アインシュタインの方程式は宇宙の膨張と密度の関係を教えてくれる。
- Κ（カッパ）は宇宙の曲率をあらわす。
- Κがマイナスなら開いた宇宙、宇宙のエネルギーはプラス。宇宙の膨張は続く。
- Κがプラスなら閉じた宇宙、宇宙のエネルギーはマイナス。宇宙は収縮に転じる。
- Κがゼロなら平坦な宇宙、宇宙のエネルギーはゼロ。宇宙は最も遅く膨張する。
- それなら宇宙のエネルギーの符号を調べるかわりに宇宙の曲率を測ればよいのではないか！
- 宇宙の曲率を直接測ることは、ここ１０年ほどでできるようになった。
- 宇宙マイクロ波背景放射を観測すればよい。
- 宇宙誕生から３８万年前の宇宙から発せられる電磁波。
- 宇宙が１０万歳のとき宇宙の温度は3000度あった。宇宙はプラズマ状態で光を通さない不透明。
- 光（電磁波）で見える限界が３８万歳。そこが見える宇宙と見えない宇宙の境目（最終散乱面）である。
- いまその場所は絶対温度で３度。宇宙マイクロ波背景放射は２人の学者によって偶然発見されノーベル賞につながった。
- アナログテレビの放送終了後のノイズ画面の１％は宇宙マイクロ波背景放射によるもの。
- 1997年のBOOMERANG実験により宇宙マイクロ波背景放射が観測された。
- 観測結果の色の濃い部分と薄い部分が温度の高低をあらわし、その差は１万分の１程度。
- 温度の高低のムラは宇宙誕生時の物質の密度のムラに対応している。
- この物質のムラが後に銀河などを形成する核となる。
- このムラの大きさの見え方が宇宙の曲率によって変わる。
- これによって宇宙の曲率は１％の誤差でゼロだということがわかった。
- 運動エネルギーの和が位置エネルギーの和とつりあっている。
- これは宇宙は無から始まったということを示唆する最初の証拠。
- 宇宙を作るためには何のエネルギーも必要なかったということかもしれない。
- 通常の物質とダークマターの総量は宇宙の曲率をゼロにするのに必要な量の３０％しかない。
- だとすると残り７０％の正体は？
- それは銀河の無い場所、つまり空っぽの空間に潜んでいる。
- 1998年、２つのグループが宇宙の物質がどのくらいあるか知るために宇宙の膨張速度の微妙な減速度合いを測定していた。
- 予測では宇宙の物質により加速は減速するはずだったが、これに反して加速していることがわかった。（グラフで説明）
- 一般相対性理論は重力が斥力になることも導く。エネルギーに満ちた空間では斥力が働く。
- これが宇宙の加速膨張の原因である。
- 宇宙の曲率をゼロにするために空間に満ちているべき宇宙のエネルギーの量は残りの７０％であり、これはダークエネルギーであることがわかった。
- これで宇宙の究極のミステリーにたどりついた。
- 通常の物質は４％、ダークマターは２３％、ダークエネルギーは７３％。
- ダークエネルギーの正体はまったく分かっていない。
- ダークエネルギーは宇宙が誕生した瞬間の空間と時間の性質と密接に結びついている。
- ダークエネルギーにより加速膨張する宇宙の未来とは？
- ジョージ・オーウェルが最初に宇宙の未来に気がつく。
- ダークエネルギーの密度が一定なら宇宙は指数関数的に加速膨張する。
- 物体が１８０億光年以上離れると、光より速く離れていく。
- 空間は光より速く遠ざかることが可能。これは相対性理論に矛盾しない。
- ダークエネルギーは重力の量子論と関係があるが、重力の量子論はまだわかっていない。
- かつて観測可能だった宇宙は現在より広かった。時間が経つほど観測できるものは減っていく。
- ２兆年後には宇宙のほとんどは見えなくなってしまう。
- ２兆年後の科学者は、たったひとつの巨大な銀河しか観測することができない。
- 銀河の膨張すら気がつくことができなくなってしまう。
- 私たちは特別な時代に生きている。もしかすると２兆年後にはまた別のものが見えるようになるかもしれない。
- さらに未来の宇宙では、銀河の星はすべて燃え尽きてしまい、何も観測できなくなる。
- 自分の存在が取るに足らないと知れば、人生を自分で切り開こうとなる。
- 私たちは宇宙の歴史の特別な時代に生きているということを謙虚に受け止めて研究すべきだ。
- ４回の講座で「道具」を身につけて宇宙のミステリーにたどりつくことができた。
- その道具は宇宙のミステリーだけでなく、自分自身の問題に向き合うためのものでもある。
解説
前回の講座でケプラーの法則を学んだ。この法則によると銀河系を公転する恒星や星団は銀河系の中心からの距離が大きいほど公転速度が小さくなるはずである。ところがそうなってはいなかった。公転速度は一定だったのである。
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太陽系は銀河の外側に近いところを公転しているが、太陽系の外側の天体の公転速度も一定であることが観測された。万有引力の法則が成り立っているならば、これは私たちの目には見えない物質の質量がこの図のように分布していることを意味している。しかもその質量は目に見える物質（天体）の１０倍にも及ぶ。
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ところで1916年にアインシュタインが発表した一般相対性理論によると物質の質量は空間をゆがめることが導かれている。1936年にアインシュタインはマンドルの依頼に応じて「光線は空間のゆがみによって曲がる」という論文を発表した。アインシュタインはこの論文の重要性に気がついていなかった。これは後に重力レンズ効果として観測されることになる。
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ハッブル宇宙望遠鏡によって撮影された５０億光年彼方の銀河団の写真。赤い丸で囲ってある青色の光はこの銀河団からさらに５０億光年はなれた「ひとつの天体」が重力レンズ効果によって複数の天体として観測されていることを示している。
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この写真から青色の天体からの光線を曲げるために必要な物質の質量分布が計算された。それがこの３Ｄグラフである。尖っているところは銀河の質量によるものだ。重要なのは銀河と銀河の間にも巨大な質量が分布しているということ。この質量は銀河の周囲で１０倍もの質量を持ち、銀河団全体では４０倍もの質量として計算された。この質量をもたらす物質は目に見えず、ダークマター（暗黒物質）と名づけられた。
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これで私たちは通常の物質とダークマターの質量を合わせた形で宇宙の全質量を計算できるようになった。つまり宇宙の全エネルギーも計算できる。次に一般相対性理論の数式を求める計算を次のように行う。
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ここでΚはギリシア文字の「カッパ」で宇宙空間の曲率をあらわす値だ。Κの値に応じて宇宙の全エネルギーと宇宙の未来が３通りの可能性としてあることが導かれることがわかる。
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つまり宇宙空間の曲率がわかれば、宇宙の未来がわかることになる。そしてこれは宇宙マイクロ波背景放射を観測することでわかったのだ。
宇宙マイクロ波背景放射とは宇宙が誕生してから３８万年後の宇宙の様子を映し出す電磁波で、およそ１３７億光年の彼方、宇宙空間の全方向から届いている。宇宙マイクロ波背景放射は1964年にアメリカ合衆国のベル電話研究所（現ベル研究所）のアーノ・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンによってアンテナの雑音を減らす研究中に偶然に発見された。ペンジアスとウィルソンはこの発見によって1978年にノーベル物理学賞を受賞した。
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1997年に南極大陸で気球を上げて行われたBOOMERANG実験により、宇宙マイクロ波背景放射の温度のゆらぎを初めて観測した。
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この温度のゆらぎは宇宙誕生時の物質の密度のムラに対応している。この物質のムラが後に銀河などを形成する核となる。そしてこのムラの大きさの見え方が宇宙の曲率によって変わる。これによって宇宙空間の曲率は１％の誤差でゼロだということがわかった。
つまり全宇宙のエネルギーはゼロであり、運動エネルギーの和が位置エネルギーの和とつりあっていることがわかる。これは宇宙は「無」から始まったということを示唆する最初の証拠だ。
宇宙は膨張しつづけることがわかったが、３通りの可能性がある。
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1998年、２つのグループが宇宙の物質がどのくらいあるか知るために宇宙の膨張速度の微妙な減速度合いを測定した。その結果は驚くべきものだった。理論的には宇宙の物質の万有引力によって膨張速度は減速するはずなのだが、膨張は加速していたのだ。講義では言及されなかったが加速膨張が始まったのは今から７０億年前のことである。
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通常の物質とダークマターの総量は宇宙の曲率をゼロにするのに必要な量の３０％しかない。だとすると残り７０％の正体は何だろうか？そしてこれは銀河の無い場所、つまり空っぽの空間に潜んでいるのだ。
一般相対性理論は重力が斥力になることも導く。エネルギーに満ちた空間では斥力が働く。これが宇宙の加速膨張の原因である。
宇宙の曲率をゼロにするために空間に満ちているべき宇宙のエネルギーの量は残りの７０％であり、これはダークエネルギー（暗黒エネルギー）であることがわかった。
通常の物質は４％、ダークマターは２３％、ダークエネルギーは７３％。ダークマターとダークエネルギーの正体はわかっていない。
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ダークエネルギーにより加速膨張する宇宙の未来とはどのようなものだろうか？ジョージ・オーウェルが最初に宇宙の未来を予測した。ダークエネルギーの密度が一定なら宇宙は指数関数的に加速膨張する。
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物体が１８０億光年以上離れると、光より速く離れていく。空間は光より速く遠ざかることが可能。これは相対性理論に矛盾しない。ダークエネルギーは重力の量子論と関係があるが、重力の量子論はまだわかっていない。
かつて観測可能だった宇宙は現在より広かった。時間が経つほど観測できるものは減っていく。２兆年後には宇宙のほとんどは見えなくなってしまう。２兆年後の科学者は、たったひとつの巨大な銀河しか観測することができない。さらに未来の宇宙では、銀河の星はすべて燃え尽きてしまい、何も観測できなくなる。
良かった点、素晴らしいと思ったこと
- 複数の受講者が積極的に質問し、質問内容がよかった。
- 数式がわからない受講者でも理解できるように講義が組み立てられていた。
- 高校の物理や地学（天文）のレベルでも、論理の積み重ねによってこれだけ深いことが理解できることが示されていたこと。
- 第３回までの講義の内容が効果的に活かされ、第４回の講義の説明に結びつけられていたこと。
改善したほうがよいと思ったこと
- 受講者、視聴者を小ばかにするような発言は慎んだほうがよいと思った。同じことでももう少し他の言い方があると思うのだ。
その他、気がついたこと、生じた疑問
- 講義の時間的な制約からインフレーション宇宙論、アインシュタインの宇宙定数、どのようにして「無」から物質が生まれるか、原始重力波、マルチバース（多宇宙）、人間原理とランドスケープ問題などが説明されなかった。
これらについては「宇宙が始まる前には何があったのか?：ローレンス・クラウス」（Kindle版）（紹介記事）をお読みいただきたい。
特にインフレーション宇宙論は重要である。宇宙マイクロ波背景放射の強度は揺らいでいるとはいえ、強いところと弱いところの差は１万分の１程度と極めて小さい。これは宇宙の驚異的な均質性を示していて、宇宙はプランクスケールという極めて小さい領域から誕生したことを意味している。そのミクロの領域から爆発的な勢いで膨張したというのが宇宙誕生時のインフレーションである。
- フリードマン方程式とニュートン力学の方程式との対応付け
宇宙論を専門的に学んだ方の中には、なぜフリードマン方程式を使わずに宇宙膨張を説明できたのかと思った人がいるかもしれない。フリードマン方程式は宇宙論では定番なのだが、この講義には難し過ぎる。だからこの講義で扱われたのは古典的なニュートン力学の方程式である。フリードマン方程式とニュートン力学の方程式の対応付けについては「第４講 宇宙の幾何学」というPDF文書の6ページ目で解説さているのでお読みいただきたい。この文書のことはT_NAKAさんから教えていただきました。T_NAKAさん、ありがとうございます。
- 銀河系の本当の姿、スパイラル構造のできるしくみ
今回の講座では取り上げられなかったことで、ぜひ紹介したいことがある。第１回の講義の感想記事で僕は「なぜ銀河系は渦を巻いているのか？」という疑問を持ったことを書いたが、ブログをお読みいただいている「はやぶさ」さんから紹介いただいたNHKの「コズミック フロント」の「スパイラル・ミステリー ５つの渦がひもとく宇宙の謎」の再放送を見て疑問が解消した。
宇宙白熱教室の番組冒頭で映されていた銀河系はこのような形である。
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しかしこれは想像図であって、近年の観測によって次のような形であることが明らかになった。
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そして太陽系は次のオレンジ色の曲線に沿って公転している。
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つまり太陽系やその他の恒星は銀河系の螺旋形の「腕」と一緒に動いているのではなく、腕を通過するように運動しているのだ。腕の中では天体の速度が遅くなって「渋滞」のようなことになり、腕の外にいるときは速い速度で公転している。私たちが見る銀河系の螺旋形の腕の構造は「スパイラル構造」と呼ばれていて、銀河系を回る天体の「渋滞」によってそのような形に見えているのだという。公転しているすべての天体は順番に渋滞に入って、しばらくすると渋滞から出ていくように運動している。
また、太陽系がスパイラル構造を通過するのは１億数千年おきだったことが計算されていて、これは地球の氷河期の時期に一致している。周期的におきた地球の氷河期は銀河系の渦巻きによるものだというわけだ。水色で示したのがスパイラル構造を通過していた位置である。銀河系のスパイラル構造は地球の気候にも影響を与えたという論文が発表されている。これは地質学と天文学の成果を合わせることで導かれた仮説だ。
詳細を知りたい方は「NHKオンデマンド（スパイラル・ミステリー ５つの渦がひもとく宇宙の謎）」でご覧ください。「はやぶさ」さん、この番組のことを教えていただき、ありがとうございました。
番組関連書籍：
「宇宙が始まる前には何があったのか?：ローレンス・クラウス」（Kindle版）（紹介記事）
「A Universe from Nothing: Lawrence M. Krauss」（Kindle版）
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参考書籍：
「インフレーション宇宙論―ビッグバンの前に何が起こったのか：佐藤勝彦」
「宇宙,無からの創生―138億年の仮説はほんとうか（Newton別冊）」
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http://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/fdcf3a5173e9f55fc37c9b8d85f4128b
宇宙が始まる前には何があったのか?： ローレンス・クラウス
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先日「番組告知：NHK宇宙白熱教室（ローレンス・クラウス教授）」という記事で告知した４回シリーズ番組の４回目が昨夜放送された。（番組の音声を文字にしたものはこのページで読める。）
今回の講座の内容は数式を使った説明以外は「宇宙が始まる前には何があったのか?：ローレンス・クラウス」（Kindle版）（紹介記事）に沿うものだった。
高校で物理や数学が苦手だった方にとっては難しい数式があいかわらずたくさんでてきたが、そのような人にとっても話の筋が理解できる見せ方をしていたのがよかった。この番組について次のようにツイートされた方がいるのが目にとまった。まさにそのとおりだと思う。
「宇宙白熱教室見終わった。力学的エネルギーとか万有引力の法則とかケプラーの法則とか高校物理でやる話がこんなにもスケールの大きい話だとは・・・公転周期が同じだからケプラーの法則は成り立たなくなるとか面白すぎるし、話してた人の最後のまとめ方うますぎて涙でそうになりました。」
いつものように「主な内容」、「解説」、「良かった点、素晴らしいと思ったこと」、「改善したほうがよいと思ったこと」、「その他、気がついたこと」というくくりで感想をまとめておこう。
主な内容
このような流れで講義は進んだ。
- 単純な論理の積み重ねによって大発見がなされた。ガリレオ、ニュートンの発見の積み重ねである。
- グラフの解説。銀河系の外側を回る天体の公転速度はケプラーの法則に反して一定だった。それは何を意味するのか？
- 銀河系の外側には分子雲や球状星団、大マゼラン雲、小マゼラン雲が回っている。
- 重力の法則がスケールによって異なるから？その可能性は否定された。
- 質量が距離に比例して増えれば公転速度は一定になる。
- 銀河系の外側に目で見える通常の物質の１０倍の物質が存在することになってしまう。
- 女性天文学者ヴェラ・ルービン（1928〜）による発見。
- 彼女は他の天体（高温のガスなど）の公転速度が一定だということを発見。
- 測定したすべての銀河で公転速度は一定だった。
- 未知の物質の存在が明らかになった。ダークマター（暗黒物質）の発見。
- なぜ未知の素粒子であるかわかったのか？
- 銀河団の質量の測定が鍵だった。
- 1936年のアインシュタインの論文（マンドルによる依頼）。
- 1919年にエディントンの観測により光が重力で曲がることが観測された。
- これは重力レンズ効果を意味する。一般相対性理論が根拠。
- アインシュタインはこの論文の重要性は理解していなかった。
- 銀河団による重力レンズ効果の観測による実証。ハッブル望遠鏡による。
- 重力レンズ効果によって青い光は銀河団の５０億年先の１つの天体が複数に見える。
- これによって銀河団の質量分布を計算することができる。
- 質量分布の尖っているところは銀河の質量。
- そのまわりに１０倍の質量がまとわりついていることがわかった。
- 銀河と銀河の間には全体で銀河の質量- の４０倍もの質量が分布していることが計算された。
- 宇宙の質量のほとんどは目に見えないということがあらためて実証された。
- ダークマターの重力に引き寄せられて目に見える通常の物質（銀河）が存在している。
- これで通常の物質とダークマターをあわせた質量を測ることができた。
- ダークマターは未知の素粒子だとわかるのは、次元解析でわかる陽子と中性子の量より１０倍たくさんあるから。
- ダークマターは宇宙だけでなく、私たちの周囲にもある。
- 宇宙の未来を探るため、宇宙のエネルギーを調べたことを思い出してほしい。
- 重力レンズなどによる宇宙全体の質量Mの測定をした結果、宇宙の端の銀河Aを引き止めるのに必要な量の３０％しかなかった。（質量Mには通常物質とダークマターが含まれる。）
- これは運動エネルギーが位置エネルギーの３倍大きいことを意味する。つまり宇宙全体のエネルギーはプラスになる。
- これは宇宙は永遠に膨張することを意味する。でもこれは間違いであることがわかるようになる。
- そのために一般相対性理論を導き出そう。計算が始まる。（後述の解説を参照）
- アインシュタインの方程式は宇宙の膨張と密度の関係を教えてくれる。
- Κ（カッパ）は宇宙の曲率をあらわす。
- Κがマイナスなら開いた宇宙、宇宙のエネルギーはプラス。宇宙の膨張は続く。
- Κがプラスなら閉じた宇宙、宇宙のエネルギーはマイナス。宇宙は収縮に転じる。
- Κがゼロなら平坦な宇宙、宇宙のエネルギーはゼロ。宇宙は最も遅く膨張する。
- それなら宇宙のエネルギーの符号を調べるかわりに宇宙の曲率を測ればよいのではないか！
- 宇宙の曲率を直接測ることは、ここ１０年ほどでできるようになった。
- 宇宙マイクロ波背景放射を観測すればよい。
- 宇宙誕生から３８万年前の宇宙から発せられる電磁波。
- 宇宙が１０万歳のとき宇宙の温度は3000度あった。宇宙はプラズマ状態で光を通さない不透明。
- 光（電磁波）で見える限界が３８万歳。そこが見える宇宙と見えない宇宙の境目（最終散乱面）である。
- いまその場所は絶対温度で３度。宇宙マイクロ波背景放射は２人の学者によって偶然発見されノーベル賞につながった。
- アナログテレビの放送終了後のノイズ画面の１％は宇宙マイクロ波背景放射によるもの。
- 1997年のBOOMERANG実験により宇宙マイクロ波背景放射が観測された。
- 観測結果の色の濃い部分と薄い部分が温度の高低をあらわし、その差は１万分の１程度。
- 温度の高低のムラは宇宙誕生時の物質の密度のムラに対応している。
- この物質のムラが後に銀河などを形成する核となる。
- このムラの大きさの見え方が宇宙の曲率によって変わる。
- これによって宇宙の曲率は１％の誤差でゼロだということがわかった。
- 運動エネルギーの和が位置エネルギーの和とつりあっている。
- これは宇宙は無から始まったということを示唆する最初の証拠。
- 宇宙を作るためには何のエネルギーも必要なかったということかもしれない。
- 通常の物質とダークマターの総量は宇宙の曲率をゼロにするのに必要な量の３０％しかない。
- だとすると残り７０％の正体は？
- それは銀河の無い場所、つまり空っぽの空間に潜んでいる。
- 1998年、２つのグループが宇宙の物質がどのくらいあるか知るために宇宙の膨張速度の微妙な減速度合いを測定していた。
- 予測では宇宙の物質により加速は減速するはずだったが、これに反して加速していることがわかった。（グラフで説明）
- 一般相対性理論は重力が斥力になることも導く。エネルギーに満ちた空間では斥力が働く。
- これが宇宙の加速膨張の原因である。
- 宇宙の曲率をゼロにするために空間に満ちているべき宇宙のエネルギーの量は残りの７０％であり、これはダークエネルギーであることがわかった。
- これで宇宙の究極のミステリーにたどりついた。
- 通常の物質は４％、ダークマターは２３％、ダークエネルギーは７３％。
- ダークエネルギーの正体はまったく分かっていない。
- ダークエネルギーは宇宙が誕生した瞬間の空間と時間の性質と密接に結びついている。
- ダークエネルギーにより加速膨張する宇宙の未来とは？
- ジョージ・オーウェルが最初に宇宙の未来に気がつく。
- ダークエネルギーの密度が一定なら宇宙は指数関数的に加速膨張する。
- 物体が１８０億光年以上離れると、光より速く離れていく。
- 空間は光より速く遠ざかることが可能。これは相対性理論に矛盾しない。
- ダークエネルギーは重力の量子論と関係があるが、重力の量子論はまだわかっていない。
- かつて観測可能だった宇宙は現在より広かった。時間が経つほど観測できるものは減っていく。
- ２兆年後には宇宙のほとんどは見えなくなってしまう。
- ２兆年後の科学者は、たったひとつの巨大な銀河しか観測することができない。
- 銀河の膨張すら気がつくことができなくなってしまう。
- 私たちは特別な時代に生きている。もしかすると２兆年後にはまた別のものが見えるようになるかもしれない。
- さらに未来の宇宙では、銀河の星はすべて燃え尽きてしまい、何も観測できなくなる。
- 自分の存在が取るに足らないと知れば、人生を自分で切り開こうとなる。
- 私たちは宇宙の歴史の特別な時代に生きているということを謙虚に受け止めて研究すべきだ。
- ４回の講座で「道具」を身につけて宇宙のミステリーにたどりつくことができた。
- その道具は宇宙のミステリーだけでなく、自分自身の問題に向き合うためのものでもある。
解説
前回の講座でケプラーの法則を学んだ。この法則によると銀河系を公転する恒星や星団は銀河系の中心からの距離が大きいほど公転速度が小さくなるはずである。ところがそうなってはいなかった。公転速度は一定だったのである。
太陽系は銀河の外側に近いところを公転しているが、太陽系の外側の天体の公転速度も一定であることが観測された。万有引力の法則が成り立っているならば、これは私たちの目には見えない物質の質量がこの図のように分布していることを意味している。しかもその質量は目に見える物質（天体）の１０倍にも及ぶ。
ところで1916年にアインシュタインが発表した一般相対性理論によると物質の質量は空間をゆがめることが導かれている。1936年にアインシュタインはマンドルの依頼に応じて「光線は空間のゆがみによって曲がる」という論文を発表した。アインシュタインはこの論文の重要性に気がついていなかった。これは後に重力レンズ効果として観測されることになる。
ハッブル宇宙望遠鏡によって撮影された５０億光年彼方の銀河団の写真。赤い丸で囲ってある青色の光はこの銀河団からさらに５０億光年はなれた「ひとつの天体」が重力レンズ効果によって複数の天体として観測されていることを示している。
この写真から青色の天体からの光線を曲げるために必要な物質の質量分布が計算された。それがこの３Ｄグラフである。尖っているところは銀河の質量によるものだ。重要なのは銀河と銀河の間にも巨大な質量が分布しているということ。この質量は銀河の周囲で１０倍もの質量を持ち、銀河団全体では４０倍もの質量として計算された。この質量をもたらす物質は目に見えず、ダークマター（暗黒物質）と名づけられた。
これで私たちは通常の物質とダークマターの質量を合わせた形で宇宙の全質量を計算できるようになった。つまり宇宙の全エネルギーも計算できる。次に一般相対性理論の数式を求める計算を次のように行う。
ここでΚはギリシア文字の「カッパ」で宇宙空間の曲率をあらわす値だ。Κの値に応じて宇宙の全エネルギーと宇宙の未来が３通りの可能性としてあることが導かれることがわかる。
つまり宇宙空間の曲率がわかれば、宇宙の未来がわかることになる。そしてこれは宇宙マイクロ波背景放射を観測することでわかったのだ。
宇宙マイクロ波背景放射とは宇宙が誕生してから３８万年後の宇宙の様子を映し出す電磁波で、およそ１３７億光年の彼方、宇宙空間の全方向から届いている。宇宙マイクロ波背景放射は1964年にアメリカ合衆国のベル電話研究所（現ベル研究所）のアーノ・ペンジアスとロバート・W・ウィルソンによってアンテナの雑音を減らす研究中に偶然に発見された。ペンジアスとウィルソンはこの発見によって1978年にノーベル物理学賞を受賞した。
1997年に南極大陸で気球を上げて行われたBOOMERANG実験により、宇宙マイクロ波背景放射の温度のゆらぎを初めて観測した。
この温度のゆらぎは宇宙誕生時の物質の密度のムラに対応している。この物質のムラが後に銀河などを形成する核となる。そしてこのムラの大きさの見え方が宇宙の曲率によって変わる。これによって宇宙空間の曲率は１％の誤差でゼロだということがわかった。
つまり全宇宙のエネルギーはゼロであり、運動エネルギーの和が位置エネルギーの和とつりあっていることがわかる。これは宇宙は「無」から始まったということを示唆する最初の証拠だ。
宇宙は膨張しつづけることがわかったが、３通りの可能性がある。
1998年、２つのグループが宇宙の物質がどのくらいあるか知るために宇宙の膨張速度の微妙な減速度合いを測定した。その結果は驚くべきものだった。理論的には宇宙の物質の万有引力によって膨張速度は減速するはずなのだが、膨張は加速していたのだ。講義では言及されなかったが加速膨張が始まったのは今から７０億年前のことである。
通常の物質とダークマターの総量は宇宙の曲率をゼロにするのに必要な量の３０％しかない。だとすると残り７０％の正体は何だろうか？そしてこれは銀河の無い場所、つまり空っぽの空間に潜んでいるのだ。
一般相対性理論は重力が斥力になることも導く。エネルギーに満ちた空間では斥力が働く。これが宇宙の加速膨張の原因である。
宇宙の曲率をゼロにするために空間に満ちているべき宇宙のエネルギーの量は残りの７０％であり、これはダークエネルギー（暗黒エネルギー）であることがわかった。
通常の物質は４％、ダークマターは２３％、ダークエネルギーは７３％。ダークマターとダークエネルギーの正体はわかっていない。
ダークエネルギーにより加速膨張する宇宙の未来とはどのようなものだろうか？ジョージ・オーウェルが最初に宇宙の未来を予測した。ダークエネルギーの密度が一定なら宇宙は指数関数的に加速膨張する。
物体が１８０億光年以上離れると、光より速く離れていく。空間は光より速く遠ざかることが可能。これは相対性理論に矛盾しない。ダークエネルギーは重力の量子論と関係があるが、重力の量子論はまだわかっていない。
かつて観測可能だった宇宙は現在より広かった。時間が経つほど観測できるものは減っていく。２兆年後には宇宙のほとんどは見えなくなってしまう。２兆年後の科学者は、たったひとつの巨大な銀河しか観測することができない。さらに未来の宇宙では、銀河の星はすべて燃え尽きてしまい、何も観測できなくなる。
良かった点、素晴らしいと思ったこと
- 複数の受講者が積極的に質問し、質問内容がよかった。
- 数式がわからない受講者でも理解できるように講義が組み立てられていた。
- 高校の物理や地学（天文）のレベルでも、論理の積み重ねによってこれだけ深いことが理解できることが示されていたこと。
- 第３回までの講義の内容が効果的に活かされ、第４回の講義の説明に結びつけられていたこと。
改善したほうがよいと思ったこと
- 受講者、視聴者を小ばかにするような発言は慎んだほうがよいと思った。同じことでももう少し他の言い方があると思うのだ。
その他、気がついたこと、生じた疑問
- 講義の時間的な制約からインフレーション宇宙論、アインシュタインの宇宙定数、どのようにして「無」から物質が生まれるか、原始重力波、マルチバース（多宇宙）、人間原理とランドスケープ問題などが説明されなかった。
これらについては「宇宙が始まる前には何があったのか?：ローレンス・クラウス」（Kindle版）（紹介記事）をお読みいただきたい。
特にインフレーション宇宙論は重要である。宇宙マイクロ波背景放射の強度は揺らいでいるとはいえ、強いところと弱いところの差は１万分の１程度と極めて小さい。これは宇宙の驚異的な均質性を示していて、宇宙はプランクスケールという極めて小さい領域から誕生したことを意味している。そのミクロの領域から爆発的な勢いで膨張したというのが宇宙誕生時のインフレーションである。
- フリードマン方程式とニュートン力学の方程式との対応付け
宇宙論を専門的に学んだ方の中には、なぜフリードマン方程式を使わずに宇宙膨張を説明できたのかと思った人がいるかもしれない。フリードマン方程式は宇宙論では定番なのだが、この講義には難し過ぎる。だからこの講義で扱われたのは古典的なニュートン力学の方程式である。フリードマン方程式とニュートン力学の方程式の対応付けについては「第４講 宇宙の幾何学」というPDF文書の6ページ目で解説さているのでお読みいただきたい。この文書のことはT_NAKAさんから教えていただきました。T_NAKAさん、ありがとうございます。
- 銀河系の本当の姿、スパイラル構造のできるしくみ
今回の講座では取り上げられなかったことで、ぜひ紹介したいことがある。第１回の講義の感想記事で僕は「なぜ銀河系は渦を巻いているのか？」という疑問を持ったことを書いたが、ブログをお読みいただいている「はやぶさ」さんから紹介いただいたNHKの「コズミック フロント」の「スパイラル・ミステリー ５つの渦がひもとく宇宙の謎」の再放送を見て疑問が解消した。
宇宙白熱教室の番組冒頭で映されていた銀河系はこのような形である。
しかしこれは想像図であって、近年の観測によって次のような形であることが明らかになった。
そして太陽系は次のオレンジ色の曲線に沿って公転している。
つまり太陽系やその他の恒星は銀河系の螺旋形の「腕」と一緒に動いているのではなく、腕を通過するように運動しているのだ。腕の中では天体の速度が遅くなって「渋滞」のようなことになり、腕の外にいるときは速い速度で公転している。私たちが見る銀河系の螺旋形の腕の構造は「スパイラル構造」と呼ばれていて、銀河系を回る天体の「渋滞」によってそのような形に見えているのだという。公転しているすべての天体は順番に渋滞に入って、しばらくすると渋滞から出ていくように運動している。
また、太陽系がスパイラル構造を通過するのは１億数千年おきだったことが計算されていて、これは地球の氷河期の時期に一致している。周期的におきた地球の氷河期は銀河系の渦巻きによるものだというわけだ。水色で示したのがスパイラル構造を通過していた位置である。銀河系のスパイラル構造は地球の気候にも影響を与えたという論文が発表されている。これは地質学と天文学の成果を合わせることで導かれた仮説だ。
詳細を知りたい方は「NHKオンデマンド（スパイラル・ミステリー ５つの渦がひもとく宇宙の謎）」でご覧ください。「はやぶさ」さん、この番組のことを教えていただき、ありがとうございました。
番組関連書籍：
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参考書籍：
「インフレーション宇宙論―ビッグバンの前に何が起こったのか：佐藤勝彦」
「宇宙,無からの創生―138億年の仮説はほんとうか（Newton別冊）」
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番組告知：NHK宇宙白熱教室（ローレンス・クラウス教授）
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宇宙が始まる前には何があったのか?： ローレンス・クラウス
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