人類がどのようにして宇宙の大きさ、形、そして起源を解き明かしてきたのかを辿る壮大な科学史である。地球中心の閉ざされた宇宙観から始まり、望遠鏡の進化、変光星を用いた距離測定、そして非ユークリッド幾何学と一般相対性理論の融合を経て、膨張する宇宙やビッグバンの証拠を発見するまでの軌跡を解説する。さらに、暗黒エネルギーによる宇宙の加速膨張がもたらす、遠い未来の孤独で暗黒に包まれた宇宙の姿にも迫る。
宇宙の果てしないスケール
私たちの太陽が、ほんの一粒の砂ほどの大きさだと想像してみてください。現在、私たちの太陽は無数にある星の一つに過ぎません。太陽の周りには2000億個以上の星が存在しています。私たちの天の川銀河だけでも、太陽は星の広大な砂浜の中にあるほんの小さな粒に過ぎないのです。しかし、天の川銀河自体も、宇宙全体に散らばる1000億個の銀河のうちの一つに過ぎません。宇宙にある星の数は、世界中のすべての砂浜にある砂の粒よりも多いと推定されています。少しの間、そのことについて考えてみてください。宇宙の大きさとスケールは畏敬の念を抱かせます。しかし科学者として私が非常に驚くべきことだと感じるのは、人類がその姿についてこれほど多くのことを推測できたということです。この偉業がどれほどのものか説明させてください。このたった一つの砂粒の周りを回る極小の粒に住んでいるという私たちの視点から、私たちはそれらすべての砂浜の大きさと形を推測することに成功したのです。私の考えでは、これは人類の最も偉大な成果の一つです。そして、私たちがどのようにしてそれを成し遂げたのか、その物語をお話ししたいと思います。この映画は、私たちが孤立した平凡な視点から上を見上げ、存在するすべてのものの形、大きさ、そして起源を推測し始めた驚くべき物語です。それは私たちが最大のスケールで現実を理解するようになった物語です。それは万物の物語なのです。
宇宙には果てがあるのか
少し立ち止まって、この一つの基本的な質問について考えてみてください。私は今、夜空の下に座っています。私の上には大気があり、その向こうには月があり、さらにその向こうには星があります。しかし、その先には何があるのでしょうか。存在するすべてのものの全体像とは何なのでしょうか。これは私たちが皆、一度は考えたことのある疑問です。私が子供の頃、夏にバグダッドで育った時のことを覚えています。私たちはベッドを屋根の上に運び、夜眠れずに星を見上げながら、宇宙は永遠に続くのか、それとも宇宙には果てがあるのかと考えたものでした。今日、私たちはこの疑問が実際にどれほど複雑なものかを理解し始めています。しかし500年前には、非常にシンプルな答えがあるように思われていました。当時の一般的な信仰では、地球は固定された位置で回転する星の巨大で薄い殻に囲まれていると考えられていました。星降る夜に見上げると、なぜ人々が自分たちはこの殻の中に住んでいると信じていたのか、その理由を理解するのは難しくありません。しかし16世紀に、この宇宙観を打ち砕く出来事が起こりました。それは人類が、すべてのものの本当の大きさと形を明らかにする旅に出発するきっかけとなる出来事でした。
常識を覆した新しい星の誕生
これはIa型超新星、つまり爆発する星です。それはほとんど想像を絶する規模の出来事です。私たちの太陽の50億倍も明るく輝きます。1572年、このような超新星が地球上で目に見えるようになりました。当時、それは単に現象として知られていました。そしてそれを見た人にとって、それは非常に衝撃的で神秘的な光景だったに違いありません。夜空に現れたこの新しい光は金星よりも明るく輝き、昼間でも見えるほどでした。そのため、多くの人がこの奇妙で不安な出来事に対して宗教的な説明を求めたのは驚くことではありません。一部の知識人によって提唱された1572年の新しい星の解釈の一つは、これが1570年前に賢者たちが見た星だというものでした。ベツレヘムの上空で輝いた星が今戻ってきたのだと。地球上での神の受肉と同じくらい宇宙的に重要な何かが、この新しい星によって宣言されているのかもしれないと考えられたのです。この現象はヨーロッパ中の多くの人々を魅了し、また当惑させました。そしてイギリスでは、眠たいオックスフォードシャーの町、ウォリングフォードの国会議員の想像力をかき立てました。彼の名前はトーマス・ディッグスです。しかし、ディッグスがこの神秘的な新しい星を研究し始めるとすぐに、それは暗くなり始めました。ディッグスの友人で良き指導者であり、天文学者仲間でもあったジョン・ディーは、この現象は移動する星である可能性があり、それは以前は不可能だと考えられていたことだと彼に論理的に説明しました。おそらくそれは地球に近づくにつれて明るくなり、遠ざかるにつれて暗くなったのだろうと。さて、この理論は間違っていましたが、地球を取り巻く星の本当の性質についてディッグスに考えさせることになりました。星々が巨大で薄い殻の中にすべて配置されているとは非常に考えにくくなってきたのです。おそらくこの見かけの殻は単なる錯覚だったのでしょう。
無限の宇宙への気づき
トーマス・ディッグスがこの奇妙なアイデアを発表するまでにはさらに4年かかりました。そして彼がそれを発表したとき、それは太陽が宇宙の中心にあると初めて主張したニコラウス・コペルニクスの著作の翻訳に追加されたシンプルな図の形をとっていました。これを見てください。こちら側がコペルニクスのモデルです。完全に革命的です。彼は太陽を中心に置き、地球が他の惑星と一緒にその周りを回っているとしています。そして最も外側の殻が固定された星、恒星天です。そしてこちら側が英語版の翻訳に含まれているディッグスの図です。まったく同じですが、彼はコペルニクスの星々を固定された殻から取り出し、無限の宇宙へと散らばらせています。ディッグスの図は、夜空の星々が無限の空間に存在するようになったという、宇宙の急進的な新しい姿を描いていました。ディッグスはコペルニクスとは異なり、それを無限であると示しています。これは無限に上へと固定された星々の球体であると彼は言います。そしてそれはおそらくヨーロッパ人が世界を境界のない、無限の、終わりのない世界として考え始めた瞬間なのです。ディッグスの新しい宇宙像は革命的でした。それまで私たちは小さな星の殻の中に閉じ込められていました。しかし今や、私たちは無限の静的な宇宙の中に浮かんでいることになったのです。
なぜ夜空は暗いのかというパラドックス
しかし、この万物の絵は奇妙なパラドックスを生み出しました。もしこの無限の宇宙に無限の数の星が含まれているのなら、なぜ夜は暗いのでしょうか。伝統的な古い宇宙観では、宇宙は無限で静的でした。しかし、静的で無限の宇宙はばかげているということがすぐに認識されました。なぜなら、そのような宇宙では無限の数の星が存在し、私たちからのすべての視線がこれらの星のいずれかにぶつかるはずだからです。静的で無限の宇宙は暗いはずがありません。太陽のように明るく輝いているはずです。そして私たちはそれが私たちの宇宙ではないことを知っています。私たちの宇宙、夜空は暗いのです。トーマス・ディッグスが最初にこの疑問を提起しましたが、この問題は後にオルバースのパラドックスとして知られるようになりました。この疑問は響きこそシンプルですが、夜空が昼間のように明るくない理由について真に満足のいく答えを見つけるには、20世紀まで待たなければなりませんでした。オルバースのパラドックスを解決するには、これまでとは違う、根本的に違う考え方を恐れない多くの偉大な科学者たちが必要でした。パラドックスを解決するということは、存在するすべてのものの形、大きさ、そして起源を理解することに他なりません。この理解なしには、パズルを解くことは不可能です。私たちはここ地球に立ち往生しており、恒星間旅行をする手段はありません。ですから、私たちは思考を飛躍させる必要があります。単に見上げることで、ディッグスと彼の同時代の人々は、すべてが実際にどのように見えるかを理解するための科学的な旅を始めました。しかし、トーマス・ディッグスの洞察から200年間、宇宙の最も遠い領域を理解する上で進展はほとんどありませんでした。しかし18世紀の終わりになって、すべてが変わることになります。1700年代の終わりまで、太陽系の外にあるものは天文学者にとってかなり面白くないものでした。それまでの天文学は、私たちのシステム、つまり地球と惑星、衛星、彗星に関する科学であり、星々は美しく飾られたかなり興味深い背景のようなものでした。これが1800年頃に変わります。
天の川の限界を求めて
バースにあるこの小さくて目立たない家は、かつて天文学者ウィリアム・ハーシェルと、彼の妹であり献身的な助手であったキャロラインの家でした。彼らは共に、これまでどの人類も見たことがないほど遠くの宇宙を見ることができる新世代の望遠鏡を開発し、建設することになります。ウィリアム・ハーシェルはハノーバーで生まれましたが、音楽家および作曲家としてのキャリアを追求するために1761年にイギリスに移住しました。しかし彼はすぐに天文学への情熱を抱き、余暇に望遠鏡を作り始めました。ハーシェルはすぐに、アイザック・ニュートン卿から借用した望遠鏡を作る技術を完成させました。その望遠鏡は、他の天文学者の間で人気だったガラスレンズよりも、はるかに多くの星の光を捉えることができる金属の鏡を使用しました。ハーシェルの家の裏にあるこの小さな部屋は、かつて彼の工房でした。ここで彼は炉で様々な金属を溶かし合わせて、望遠鏡のための反射鏡を作っていました。そして彼は、それらを可能な限り反射するように、様々な金属や様々な組み合わせを実験しました。その後、妹のキャロラインの手伝いを借りて、必要な精度を達成するために鏡の表面を磨くのに文字通り何時間も費やしました。そしてこれはかなり危険で閉ざされた環境だったことを覚えておかなければなりません。床には、こぼれた溶けた金属が敷石を割った傷跡が今でも残っています。彼の強力な望遠鏡を使って、ハーシェルと妹のキャロラインは毎晩夜空を調べ、星のカタログを作りました。彼らが見ていた宇宙は、ダイナミックな複雑さを持つ宇宙、自然で有機的な動きを持つ宇宙、そして終わりのない驚きに満ちた場所であることを明らかにしていました。ハーシェルの革新的な望遠鏡のデザインは彼を有名にしました。それを使って彼は新しい惑星である天王星を発見しました。この発見により、彼は王室天文学者という仕事を得ることになります。さて、この新しい役割は、彼にさらに壮大な仕事、つまり万物の絵を描こうとする試みとして、宇宙のすべての星の地図を作ろうとするための時間と資源を与えました。
広がる星雲の謎
1785年、ハーシェルはこの驚くべき画像を発表しました。これは太陽が中心にある天の川の近似図を示しています。ハーシェルは、私たちが星の巨大な円盤、明確な境界があるように見える巨大な太陽の銀河の一部であることを観察していました。ハーシェルの職人技が、実際にあらゆるものの果てを見ることを可能にしたかのように見えました。しかしすぐに厄介な問題が浮上し始めました。ハーシェルや他の人々は、空のあちこちに星雲と呼ばれる奇妙な雲のような天体を観察していました。これらの星雲の中には、独特の形や複雑な構造を持っているように見えるものもありました。一部の天文学者は急進的なアイデアを提案し始めました。おそらく天の川がすべてではないのではないかと。おそらくこれらの星雲のいくつかは、実際には私たちの銀河のような星の巨大な銀河であり、実際に遠い宇宙空間に存在しているのではないかと考えたのです。残念ながら、この疑問に満足のいく答えを出す方法はありませんでした。問題は、ハーシェルの偉大な技術的成果や、キャロラインと一緒に外で苦労して夜空を見つめ続けたあの長く寒い夜にもかかわらず、彼らが解決できない問題が一つあったことです。彼らには宇宙空間の距離を正確に測る方法がなかったのです。宇宙の奥深くにある天体までの距離を測る巧妙な方法が開発されるのは、ハーシェルの死後のことになります。
宇宙の距離を測る挑戦
その技術は年周視差として知られていました。指のような物体を二つの視点から見ると、それはあなたの基準枠の中で移動します。それがどれくらい移動するかを観察することで、それがどれくらい遠くにあるかを計算することができます。私の指は、その後ろにある建物よりも、フレームごとにはるかに大きく動いています。さて、フリードリヒ・ベッセルという天文学者は、地球が太陽の周りの軌道の両側にあるときに星の画像を撮れば、実際に星が移動しているのを見ることができるはずだと考え出しました。それがどれくらい移動したかを観察することで、私たちからの距離を計算することができるのです。ベッセルは、比較的近い星であるはくちょう座61番星が約100兆キロメートル離れているに違いないと計算しました。しかし、この技術は素晴らしいものでしたが、それでも非常に厳しい制限がありました。地球の軌道の直径は3億キロメートルです。これは、視差法が約300兆キロメートルまでの天体しか測れないことを意味し、天の川の大きさのほんのわずかな部分に過ぎません。天界には、特にあの謎めいた星雲のように、実際に測定することが不可能なものがたくさんあることがすぐに明らかになりました。それらは20世紀の初めに大きな論争を巻き起こすまで、謎のまま残されることになります。ある天文学者のグループは、天の川という私たちの銀河が一つだけ存在し、球状星団や星雲など、私たちが見る他のすべてのものはすべてどういうわけかその銀河の中にあると主張しました。それから、いや、これらの星雲の多くはそれ自体が巨大な島宇宙であり、私たちから想像もつかないほど遠く離れていると主張する他の天文学者たちもいました。両側に証拠がありました。この謎は1920年代の初めまで激しい論争の種であり続けました。この問題の解決に貢献した女性は、科学の歴史において称賛されていない偉大な英雄の一人です。彼女はハーバード大学天文台で働き、その名前はヘンリエッタ・レビットといいました。
距離測定の鍵となる変光星の発見
レビットの仕事は、世界中の天文台からの画像から星を数え、カタログ化することでした。彼女は自分の仕事を愛する優秀な科学者でした。これはレビットが扱った宇宙の写真乾板の一つです。画像内の小さな詳細を強調する彼女の明るいマークが見えます。細心の注意を払って、何百もの星の微妙な特徴が記されています。彼女が宇宙の本当の大きさを解き明かすのに役立つ独創的なアイデアを思いつくのに役立ったのは、この能力でした。そのアイデアは、星の本当の明るさを定義する客観的な方法を見つけることに基づいていました。レビットは夜空で脈打つセファイド変光星として知られる星の種類に魅了されました。彼女の画期的な発見は、それらの明るさが点滅する速度と正確に関連していることを発見したことでした。説明しましょう。この二つの星は同じ速度で点滅しており、これはそれらが全く同じ明るさであることを意味します。もし一方の星が暗く見えるなら、それが明るい星よりもどれくらい遠くにあるかを計算することができます。レビットの方法は、彼女がセファイド変光星の本当の明るさを知っていることを意味しました。彼女は視差が届く範囲をはるかに超えた星までの距離を測る方法を見つけたのです。しかし、望遠鏡にアクセスできなければ、彼女はこれ以上仕事を進めることができませんでした。彼女は完全に男性中心の天文台の世界で働くことを禁じられていました。しかし彼女の発見は今や、天文学者たちに謎の星雲までの距離を測るツールを与えました。私たちの天の川が存在するすべてを含んでいるかもしれないという考えは、まさに崩れ去ろうとしていました。宇宙のスケールが本当に理解されるようになったのは、驚くほど最近のことなのです。1920年代には、宇宙が一つの銀河から成り立っていると考えるのは全くもって妥当なことであり、たとえばアメリカの世界トップクラスの天文学者の中にはその見解を真剣に支持し、それが真実であるという確かな証拠を持っている人もいましたが、彼らは間違っていたのです。
天の川を超える島宇宙の証明
この大きな論争に最終的な決着をつける証拠は、ロサンゼルス郊外のウィルソン山天文台に建設されていた強力な新しいフッカー望遠鏡のおかげで見つかることになります。この信じられないほどの技術と、距離を計算するためのヘンリエッタ・レビットの独創的な方法を用いて、ある若い天文学者が私たちの宇宙観を変え、彼の名前を永遠に不滅にする発見をします。その天文学者はエドウィン・ハッブルと呼ばれていました。ハッブルはレビットとは全く異なるタイプの科学者でした。彼は実物よりも大きなキャラクターで、巨大なエゴを持つ外向的な人でしたが、それでも非常に才能があり先見の明のある科学者でした。彼はアメリカで生まれ育ちましたが、しばらくイギリスで過ごしました。そしてこれが彼に強い印象を残したようで、彼は完全に大げさなイギリスのアクセントで、バイ・ジョーブとかワット・ホーといった言葉を叫びながら天文台を歩き回っているのが聞こえてきたものでした。才能があり、情熱的で、風変わりなハッブルは、天文学の世界で急速に名前を知られるようになりました。しかし、彼が当時アンドロメダ星雲として知られていたものの中に、私たちの宇宙の本当の規模を明らかにする何かを発見するのは1923年のことでした。私はユニバーシティ・カレッジ・ロンドン天文台に来て、天文学者のスティーブ・フォッシー博士に会い、ハッブルの発見が一体何であったかを自分の目で確かめに来ました。コンソールにアンドロメダの座標を入力します。ハッブルと彼のアシスタントであるミルトン・ヒューメイソンにとって、アンドロメダを研究することは長く骨の折れるプロセスでした。しかし今日では、それを素早く見つけ、非常に詳細に撮影することができます。これは数週間前に撮影した画像です。そしてズームインすると、ちょうどそこにハッブルのセファイド変光星が見えます。彼が見つけた最初のセファイド変光星が問題全体を解決したのです。おそらくその時、彼はそれがどれくらい離れているかを計算するためにレビットの方法を使うことができたのでしょう。まさにその通りです。彼がこれを見てそれを変光星だと特定したとき、彼はその天体がどれくらい明るいかを決定する鍵を手に入れ、それが私たち自身の銀河にあるはずがないということを導き出したのです。それは何百万光年も離れているはずだと。その通りです。そして中心の領域が見えます。しかしここでコントラストを調整すると、銀河の詳細をいくつか引き出すためにコントラストを広げることができます。らせん状になっています。アンドロメダの中にある何十億もの星を背景にシルエットとして浮かび上がる塵の帯が見えます。ハッブルはアンドロメダの変光星の一つを見つけ、それが脈打つのにどれくらいの時間がかかるかを正確に測定することで、レビットの仕事を使ってそれがどれくらい離れているかを正確に計算することができました。これがハッブルが新しいセファイド変光星をマークした写真乾板です。それを使って彼は、アンドロメダが天の川の最も遠い果てよりも何倍も何倍も遠くにあると計算しました。アンドロメダは確かに島宇宙であり、巨大な星の銀河だったのです。現在、私たちはアンドロメダが250万光年以上離れていることを知っています。これは、今日アンドロメダから私たちに届く光が、現代人が進化する前にその旅を始めたことを意味します。それが私たちの隣人なのです。私たちの最も近い大きな銀河の隣人です。私がここで見ているのは本物であるということを覚えておかなければなりません。これらは私の目に届くまでに何百万年も旅してきた光子なのです。まさにその通りです。これらはアンドロメダから直接やってきて私の目に届いた光子なのです。今日、私たちはハッブルが夢見たようにアンドロメダを見る力を持っています。私たちは今、アンドロメダには1兆個以上の星が含まれていると推定しており、それは私たちの宇宙全体に散らばる膨大な数の銀河のほんの一つに過ぎないのです。1923年には、宇宙は天の川の大きさでした。1924年までには、私たちを取り巻く空間は何十億倍も大きく、ほぼ想像を絶する宇宙の複雑さの住処であることが明らかになりました。ハッブルは私たちの銀河の外に無数の銀河があることを示し、宇宙の境界を押し広げました。しかし彼は宇宙の果てを見たわけではありません。すべてを見たわけではありませんでした。私たちの宇宙がどれほど大きいのか、あるいはそれがどのような形をしているのかについては、依然として手がかりがありませんでした。すべてに関する奇妙な真実を理解するには、単なる観測以上のものが必要でした。数学が必要だったのです。空間そのものの奇妙な性質を説明できる、強力な新しいタイプの数学です。
空間の形状を記述する数学
宇宙を理解しようとするとき、人々はたくさんの観測をすればいいと簡単に考えがちです。そこにあるものを見て、それらすべてを壮大な絵に当てはめればいいのだと。しかし問題は、その絵がどのようであるべきかについての何らかのアイデアがない限り、どのような観測を行うべきか分からず、何が重要なのか分からないということです。そして科学の歴史を通して、時折誰かが新しい数学的アイデアを思いつく必要がありました。空間に関する新しい数学的アイデアは非常に奇妙で、常識からあまりにもかけ離れていたため、それらを定式化するには2000年以上の時間とアルベルト・アインシュタインの天才が必要でした。しかしそれらの準備が整ったとき、これらの奇妙な新しいタイプの数学は、私たちを取り巻く空間に関する理解に革命をもたらすことになります。さて、空間とは何でしょうか。私たちはこの答えを知っていると思っています。私はこの部屋が広々としていると話すことができます。ここにはたくさんの空間があります。あるいは狭い空間。十分な体積がない、十分な空間がないと。しかし、空間はそこに物があるときにのみ存在するのでしょうか。空間は壁に囲まれているときにのみ意味を持つのでしょうか。二つの物体の間の距離について考えてみてください。もしその物体を取り除いたとしても、その隙間はまだ存在しているのでしょうか。始まりと終わりの点がない場合、距離にどのような意味を与えることができるでしょうか。最終的に問題はこうなります。空間自体に形はあるのでしょうか。それに構造や形はあるのか、それとも単に物事が起こる場所なのでしょうか。空間の性質は、2000年以上前に数学者ユークリッドによって彼の伝説的な著書である原論で初めて記述されました。その中で彼は、今日私たちがユークリッド幾何学と呼ぶ空間に関するシンプルで論理的なルールのセットを定めました。ユークリッド幾何学は私たちが毎日見ている幾何学です。もしあなたが部屋に座っていて、それが通常の長方形の部屋であれば、目に見えるのはたくさんの直線や直角です。平行線が見えます。もし窓があれば、窓の両側は平行です。もしそれらを延長しても、それらは全く同じ距離を保ちます。それらは決して交わりません。そして少し近づいて見ると気付くもう一つのことは、描いたどんな三角形でも、その内角の和は常に180度になるということです。それがユークリッド幾何学の特徴です。そして人々はかつて、幾何学とはまさにこういうものであり、他のものは不可能だと考えていました。ユークリッド自身にとっても、そしてその後の2000年間のほぼすべての数学者にとっても、これらのルールは単に数学的に真実であるというだけではありませんでした。それらは物理的現実そのものに関する真実の記述でもあったのです。つまり、二つの平行線は永遠に平行のままであり、現実の空間における三角形の角の和は常に180度になるだろうと彼らは考えていました。しかし、奇妙に聞こえるかもしれませんが、実際には常にそうであるとは限らないのです。
曲がった空間の幾何学
約250年前、北ドイツの小さな町で、ユークリッドの幾何学を解き明かし始め、空間に関する私たちの考えを変え始める能力と独創性を持った数学者が生まれました。彼の名前はカール・フリードリヒ・ガウスです。ガウスはそのキャリアの中で多くの偉大な問題に取り組みました。しかし彼は若い頃から、ユークリッドの規則は誰もが想定していたほど絶対的なものではないかもしれないと推測し始めました。具体的には、ガウスは曲がった空間では、ユークリッドの規則とは異なる規則を持つ他のタイプの幾何学が存在する可能性があると考え始めました。例えば球の表面では、三角形の角の和は180度以上になる可能性があります。他の多くの人がガウスのアイデアを洗練させ発展させることになりますが、彼の最大の功績の一つは、曲率を正確に測定する巧妙な方法を私たちに与えたことでした。それは単に驚異の定理として知られるようになります。この地球儀で説明させてください。私たちが離れて見ることができるため、これが三次元であることはわかります。しかし、もしあなたが表面に張り付いたアリだとしたらどうでしょう。その表面が曲がっていることをどうやって知ることができるでしょうか。では、あなたがアリだと想像して、北極から出発して南を向いて赤道に向かって移動するとします。赤道でもあなたはまだ南を向いたままで、赤道に沿って横歩きします。そしてある地点に到達し、そこから後ろ向きに歩き始めます。つまり、まだ同じ方向を向いたまま北極に戻るのです。さあ、ここで何が起こったか見てください。あなたは一周ずっと南を向いていたのに、出発点に戻ってきたときには違う方向を向いているのです。これを理解することで、曲面から一度も離れることなく曲率を計算する方法が得られます。これは驚くべき洞察でしたが、二次元の曲面にしか適用されません。これらのアイデアを、私たちを取り囲む三次元空間に適用できるような形で発展させるには、ガウスの優秀な教え子であるベルンハルト・リーマンが必要でした。それは大胆で奇抜であり、数学者ではない人々にとっては馬鹿げているように聞こえる概念でした。弱冠26歳のリーマンは、幾何学に関する彼の奇妙な新しいアイデアを、数学者の間で伝説となる講義にまとめました。1854年6月、リーマンは夢中になっている聴衆に向かって講義を行いました。その中で彼は、曲面に関するガウスの考えを取り入れ、それを曲がった二次元の表面だけでなく、あらゆる次元における空間の曲率に適用できるようにいかに一般化したかを詳細に説明しました。さて、これはすべてかなり複雑に聞こえることは間違いありません。任意の次元における曲がった空間とは一体何を意味するのでしょうか。説明してみましょう。こういうことです。ガウスは曲がった二次元の表面について話しました。ここに一枚の紙があり、それは二次元です。ですから、これを曲げると、この曲がりを視覚化して見ることができますが、それは三次元に埋め込まれているからこそです。では、もし三次元を曲げたらどうなるでしょうか。おそらく四次元が必要になるでしょう。しかし、どうやってこの四次元空間に行くのでしょうか。私たちの三次元世界の外に出ることは不可能です。宇宙のどこを旅行しても、どれだけ遠くまで行っても、常に三次元にとどまっています。リーマンの天才的なところは、空間が曲がっているかどうかを知るために四次元に立つ必要はないということを示した点でした。内側から実際にそれを判断することができるのです。しかしリーマンにとって、これは常に純粋に数学的なアイデアにとどまりました。これらの数学的アイデアを結びつけ、曲がりくねった非ユークリッド幾何学を、私たちを取り巻く実際の空間に適用するにはアルベルト・アインシュタインが必要でした。非ユークリッド幾何学の物語全体について最も重要な点は、数学と現実世界がどのように関連しているかを示していることだと思います。それは数学者たちが、ユークリッドとは違う幾何学が存在し得るだろうかと問いかけながらあれこれいじり回すことから始まります。そして当時の誰かが彼らのところに来て、なぜそんなことを研究しているのかと尋ねたら、彼らは全く分からない、何に役立つのか見当もつかない、ただ面白いだけだと答えたでしょう。しかし彼らがあれこれいじり回した結果、異なる幾何学が可能であるという驚くべき答えを見つけました。そしてその時点でも、誰もこのアイデアに対する実際の応用方法を持っていませんでした。そして機が熟したとき、アインシュタインがやってきて、これこそ私が求めていたものだ、これこそが本物の物理学だと言い、突然この難解な数学の断片が科学的探究にとって不可欠なものになったのです。
重力と曲がった時空
アインシュタインは、私たちがユークリッドの平坦な世界ではなく、ガウスとリーマンの奇妙な曲がった世界に住んでいることを明らかにしました。わずか数年の間に、アインシュタインは最も難解で抽象的な数学的アイデアとの格闘から、チャーリー・チャップリンとのディナーデートへと飛躍しました。そしてそれはすべて彼の生涯の仕事の頂点である一般相対性理論のおかげでした。一般相対性理論において、アインシュタインはガウスとリーマンの数学を取り入れ、物理世界の革命的な絵を描くためにそれを利用しました。彼は、ガウスが疑っていたように、私たちの周りの空間の幾何学が常に規則的で平坦なユークリッド的なものではないことを示しました。しかし、もし私たちの周りの至る所で空間が曲がったり歪んだりしているのなら、私たちはそれが事実であることを観察できなければならないはずです。実はそうなのですが、あなたが期待するような方法ではありません。これがアインシュタインの主要な洞察でした。彼は、重力と呼ばれる力を生み出すのは、空間が曲がったり歪んだりする能力、空間が柔軟でその幾何学を変える能力であることを示しました。ニュートンの時代以来、重力はすべての物体を引き寄せる力だと考えられてきました。ですから、私がこのリンゴを落とすと、まるで目に見えない輪ゴムがあって、それがリンゴを地球に向かって引き下げているかのようでした。しかしアインシュタインの一般相対性理論は、まったく異なる描像と全く新しい視点を与えてくれます。ですから、重力は力のように見えますが、それは空間そのものの曲率に他ならないのです。物体が落下するとき、それはまったく重力に引っ張られているわけではありません。曲がった空間を通る最も単純な経路をたどっているだけなのです。しかし、一般相対性理論の方程式はそれだけでは終わりませんでした。それらは、空間を曲げたり歪ませたりする原因となるのが質量の存在であることを明らかにしました。地球に重力がある理由は、地球が実際にその周りの空間を曲げているからなのです。アインシュタインの宇宙理論において、空間はその内容物に反応する動的な実体となります。空間は重力をもたらす物体の存在を知っており、非常に興味深い方法でその幾何学を変えることによって、それらの存在に反応します。ですから、16世紀、17世紀、18世紀、19世紀には非常に退屈で静止した物体だったものが、アインシュタインの理論では突然、ダイナミックでほとんど生きているような物体になるのです。アインシュタインの理論は、空間自体、つまり宇宙全体、すべてのものが想像を絶するほど大きいだけではないことを明らかにしました。それはまた形と構造を持っていました。それは可鍛性があったのです。あらゆるものが曲がり、歪む可能性がありました。ガウス、リーマン、アインシュタインは共同で、私たちが存在する空間と時間がどのように歪むことができるかについての記述を考え出しました。彼らは、空間と時間が、宇宙の行動が演じられる固定された変化しない舞台ではないことを示しました。それらは実際にはパフォーマンスの一部だったのです。
膨張する宇宙とビッグバン
一般相対性理論はあらゆるものに適用されるため、物理学者が宇宙の外側に足を踏み入れ、宇宙全体がどのように振る舞っているかを想像する方法を提供していることがすぐに認識されました。そして彼らがこれを行ったとき、非常に不安になるようなものを見ました。その方程式は、ばかげているように思える宇宙の記述を与えていたのです。それらは実際に膨張している何かを描写していました。宇宙全体が、ある種の動く有機的で膨張する実体である可能性があるというのは、非常識に思えました。それは非常に奇妙な予測だったため、アインシュタイン自身でさえ信じることを拒否したほどです。アインシュタインは何千年にもわたって人類が抱いてきた空間と時間に関する常識的な概念を覆しました。しかし彼はそれでも、宇宙全体がダイナミックで変化している可能性があることを受け入れることができませんでした。実際、彼は宇宙が静的であると確信していたため、宇宙を安定させるために宇宙定数と呼ばれる追加の項を加えて元の方程式を修正する準備ができていました。しかしアインシュタインは壊れていないものを直そうとしていたのです。ここで私たちの物語はエドウィン・ハッブルに戻ります。フッカー望遠鏡で武装したハッブルは、アインシュタインが信じることを拒んだ真実を明らかにすることになります。私たちの銀河が多数あるうちの一つに過ぎないことを発見した後、ハッブルはこれらの他の銀河が動いている方法を研究し始めました。ハッブルは、光源が私たちに近づくにつれて光波が圧縮されて青く見えることを知っていました。もし物体が遠ざかっているなら、光波は引き伸ばされて赤く見えるはずです。彼が見たものは驚くべきものでした。すべての遠くの銀河が赤方偏移していたのです。それらはすべて私たちから遠ざかっていました。それだけでなく、遠くにある銀河ほど、速く遠ざかっていたのです。ハッブルの観測とアインシュタインの一般相対性理論は一致していました。しかし、ここが重要なポイントです。銀河が空間を通って互いに飛び去っているのではなく、銀河の間にある空間の構造そのものが膨張しているのです。ですから、宇宙はその全体として大きくなっています。これがハッブルとアインシュタインの研究が明らかにしたことでした。アインシュタインはすぐにハッブルを訪ね、自分でデータを確認しました。彼は後に、自分の方程式を変更したことが彼の最大の科学的失敗であったと認めることになります。では、なぜ空間はこのように膨張していたのでしょうか。ハッブルとアインシュタインの両者はすぐに同意しました。もし空間の構造が膨張しているなら、それは以前の宇宙はもっと小さかったことを意味します。時計を十分に巻き戻すと、私たちの宇宙全体が始まった瞬間があったように見えました。データは創造の瞬間を指し示していたのです。しかし、多くの科学者はこの見かけのビッグバンに納得していませんでした。それはあまりにも飛躍しすぎているように思えました。しかし、すべての人を納得させる力を持つ一つの証拠がありました。もしビッグバンが起こったのなら、創造の瞬間のしばらく後に、宇宙全体に光の閃光が放たれたはずだと思われました。宇宙のすべての部分が今、この光で満たされているはずだと。そして実際そうであることが判明しました。ただ、それはかなり珍しい形をしていました。信じられないように聞こえるかもしれませんが、ビッグバンの火の玉の名残は実際にテレビで見ることができました。これがどのように可能か説明させてください。この風船が私たちの宇宙だと想像してみてください。ここではまだ数十万歳にすぎません。この時点で、原子が形成されるにつれて宇宙が突然可視光に対して透明になるという、非常に奇妙なことが起こります。まるで霧が晴れて、光が突然宇宙を自由に移動できるようになったかのようです。空間のあらゆる点で、光子が妨げられることなく移動し始めました。そして宇宙全体がまばゆい光で満たされます。しかし初期の宇宙の熱い大混乱の中で放たれたこの光は、永遠に明るいままであったわけではありません。空間が膨張するにつれて、光は可視光線からマイクロ波へとスペクトルを引き伸ばされました。そしてテレビのアンテナで受信されるのは、まさにこのマイクロ波なのです。信じられないことに、このノイズのほぼ1パーセントは創造そのものの残光なのです。それは宇宙の最も初期の光が引き伸ばされた残骸です。今日、衛星を使うことで、光になった瞬間の宇宙の信じられないほど正確な地図を作ることが可能になりました。これは最初の夜明けの化石化した光です。宇宙に始まりがあったという説得力のある証拠です。マイクロ波放射を用いて、宇宙論学者はその年代を特定することさえできました。私たちの宇宙全体の年齢は137億年です。
オルバースのパラドックスの終結
この万物の始まりは、トーマス・ディッグスが400年以上前に最初に提起した疑問に答えるために必要な最後の情報となります。それはついに、なぜ夜になると暗くなるのかについて満足のいく説明を私たちに与えることになります。さて、ここにその答えがあります。ここでこれらすべてが理にかなっていることを願っています。星が遠くにあるほど、その光が地球に届くまでに長く時間がかかります。ですから、もし宇宙が永遠に存在しているなら、そこにあるすべての光は私たちに届くまでの時間があり、夜空は星明かりで燃えるように輝いているはずです。しかしそうではありません。その理由はこうです。宇宙が今日よりもはるかに若く、はるかに小さかった時を想像してみてください。宇宙の反対側にある光の筋が私たちの視点に向かって旅を始めます。しかし空間が膨張するにつれて、光が横切らなければならない距離はどんどん大きくなっていきます。今日まで早送りすると、この光はまだ私たちに届いていません。ですから、どれだけ空を一生懸命見ても、それを見ることは絶対にできません。私たちが見ることができるのは、ビッグバン以来の137億年の間に、光が私たちに届く時間があった星だけなのです。この領域は観測可能な宇宙として知られており、ここには夜空を照らすのに十分な星はありません。ですから、私たちは常に、光が届くチャンスがあった星や銀河だけを見ているのです。そしてそれが夜暗くなる理由です。夜空が暗いという私たちが当たり前だと思っている最も単純な事実は、実際には信じられないほど奥深いものなのです。夜空がなぜ暗いのかを私たちが理解できるようになるまでには、200年の理論化、思考が必要でした。一般相対性理論の発展が必要だったのです。推論し、観察し、想像することによって、私たちは宇宙空間を転がる私たちの小さな岩の境界を越えて映し出すためのさらに良い方法を見つけてきました。私たちは万物の絵を描き出すことにますます熟練してきました。これは初期段階の宇宙のコンピューターシミュレーションです。これを使うことで、重力が何十億年にもわたってどのように宇宙を形作ってきたかを見ることができます。この画像で最も明るい白と黄色の領域は、銀河と銀河団が形成される場所を示しています。宇宙が進化するにつれて、奇妙で隠された構造が現れ始める様子を見ることができます。これが宇宙の網です。これはあらゆるものが最大のスケールでどのように見えるかについての、これまでの私たちの最高の図です。それは巨大なフィラメントで結びついた巨大な銀河団を示しています。それぞれが何兆個もの星を含んでいます。そのスケールを理解するのは難しいこともありますが、この画像の距離を光が横切るには100億年近くかかるでしょう。
遠い未来の孤独な宇宙
しかし、この信じられないほどの万物の絵は変わる運命にあります。私たちは、遠い未来において、宇宙が恐ろしく荒涼とした孤独な場所になることを理解し始めています。1998年、ある天文学者のチームが遠くの銀河での超新星爆発を観察した論文を発表しました。彼らは宇宙がどれほど速く膨張しているかを非常に正確に測ろうとしていました。彼らは、宇宙にあるすべての物質の重力の引っ張りのために、膨張の速度が遅くなっていることを発見すると予想していました。しかし彼らは大きな驚きに直面しました。宇宙はより速く大きくなっていたのです。膨張の速度は加速していました。あらゆるものを引き離す何らかの神秘的な力があるように思われました。私たちはまだその起源を理解していませんが、それは暗黒エネルギーと名付けられました。これには魅力的でありながらも不安になる結果が一つあります。もし宇宙の膨張が加速し続けるなら、私たちの目に見える宇宙は空っぽになり始めるでしょう。説明させてください。私が地球から見える遠くの銀河にいると想像してください。さて、私たちの間の空間が広がるにつれて、未来のある時点でそれが非常に速く膨張しているため、光がそれに追いつけなくなり、銀河が視界から消える時が来るでしょう。これが意味するのは、今から約1000億年後の遠い未来において、もし知的な生命体がまだ私たちの銀河に存在しているなら、彼らは宇宙を見渡しても私たち自身の天の川にある星しか見えないだろうということです。他のすべての銀河は消え去り、彼らは広大で暗く空っぽの空間にただ一人取り残されることになります。ここに一つの箱があります。もし私がその中から可能な限りすべてのものを取り除いたらどうなるでしょうか。その箱の中の空間には一体何が存在するのでしょうか。それは本当に何もないのでしょうか。熱です。熱なのです。
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