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えー、皆さん、こんにちは。今日は、宇宙がどうやってできたのか、についてお話したいと思います。 まあ、あの、頑張っても、想像できないと思うんですよ、質子がどれだけ小さいか。本当に小さいんです。
質子って、原子のすごく小さい部分で、原子自体もめちゃくちゃ小さいじゃないですか。で、質子がどれくらい小さいかっていうと、例えば、「i」の上の点 있죠? あんな大きさのインクの滴に、なんと約5000億個もの質子が入ってるんですよ。もっと正確に言うと、1万5千年分の秒数よりも多いんですって。だから、少なくとも、質子はものすごく小さいってことは言えますよね。
で、ここで想像してみてください。もし、ですよ、もし、あなたが（まあ、無理なんですけどね）、質子を通常のサイズの10億分の1に縮小できて、それを極小の空間に入れて、すごく大きく見せることができるとします。そして、その極小の空間に約30グラムの物質を詰め込むんです。はい、これで、宇宙を作る準備ができたことになります。
えー、もちろん、皆さんは膨張する宇宙を作りたいでしょうね。でも、昔ながらの、もっと言うと、標準的なビッグバン型の宇宙を作りたい場合は、別の材料も必要になるんですよ。実は、今あるものすべて、つまり、宇宙ができた瞬間までのすべての粒子を集めて、それを、もう大きさを語るまでもない、極小の場所に押し込む必要があるんです。これが、いわゆる「特異点」と呼ばれるものですね。
どちらにしても、今から本当にすごいビッグバンが起こりますよ。当然、皆さんは安全な場所に退避して、その光景を見たいですよね。残念ながら、退避できる場所はないんです。なぜなら、特異点の外には何もないから。宇宙が膨張し始めると、それは外に広がり、より大きな空間を満たすわけではありません。唯一の空間は、宇宙が膨張しながら創造する空間なんです。
특이점을요、漆黒の虚空に浮かぶ妊娠した点だと考えると自然なんですけど、それは違います。空間もなければ、暗闇もない。특이점 周りには何もありません。そこには占有する空間もなければ、存在する場所もない。そもそも、それがどれくらいの期間そこに存在していたのか、尋ねることさえできません。それは、まるで素晴らしいアイデアのように、生まれたばかりなのか、それとも適切な瞬間を静かに待ち続けていたのか。時間すら存在しないんです。過去から生まれたという概念もありません。
そうして、私たちの宇宙は無から生まれたんですね。
ほんの一瞬、それは光り輝く瞬間でした。言葉では言い表せないほどの速さで、そして広がりで、특이점は天地ほどの大きさになり、想像を絶する空間になったんです。このエネルギッシュな最初の1秒間（多くの宇宙学者が、その一生をかけて、より小さな部分に分割しようとする1秒間）に、引力と物理学を支配するその他の力が生まれました。1分も経たないうちに、宇宙の直径はすでに1600兆キロメートルに達し、しかも急速に拡大していました。この時、大量の熱が発生し、温度は1000万度に達し、核反応を引き起こすのに十分な温度でした。その結果、より軽い元素、主に水素とヘリウム、そして少量のトリウム（約1000万個の原子に1個のトリウム原子）が作られました。3分後には、現在存在している、あるいは今後存在することになる物質の98％が生成されたんです。私たちは宇宙を手に入れたんです。本当に素晴らしい場所で、しかも美しい。それが、サンドイッチを作るくらいの時間で出来上がったんですよ。
この重大な瞬間がいつ起こったのかについては、まだ議論がありますね。宇宙は100億年前に形成されたのか、それとも200億年前に形成されたのか、あるいは100億年から200億年の間に形成されたのか。この問題については、宇宙学者が長い間議論してきました。最近では、約137億年という数字が有力になってきているようです。ただ、これについては後で詳しく見ていきますが、このようなことを計算するのは非常に難しいんです。実際、私たちが言えるのは、非常に遠い過去のある時点、理由もわからないある瞬間に、科学的にt=0と呼ばれる瞬間が訪れた、ということだけなんです。そして私たちは旅に出た、と。
もちろん、私たちが知らないことはたくさんありますし、現在、あるいは過去の長い間、知っていると思っていたのに、実際には知らなかったこともたくさんあります。ビッグバン理論でさえ、比較的最近になって提案されたものなんですよ。この概念は、20世紀20年代から広まっていて、ジョルジュ・ルメートルというベルギー人の司祭であり学者の方が、最初にこの仮説を提案したんです。でも、この理論が宇宙論の世界で活発になったのは、20世紀60年代のことなんです。当時、2人の若い電波天文学者が、偶然にも、ある尋常ではない現象を発見したんです。
彼らの名前は、それぞれアーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンといいます。1965年、彼らはアメリカのニュージャージー州ホルムデルにあるベル研究所で、大型通信アンテナを使おうとしていたんですが、実験は、連続的な蒸気のようなシューという音を発する、背景ノイズによって邪魔されて、なかなか進みませんでした。そのノイズは絶え間なく、集中していなかったんです。それは空のあらゆる方向から、昼も夜も、一年中聞こえてきました。1年間、その2人の若い天文学者は、そのノイズを追跡して除去しようと、あらゆる手を尽くしました。すべての電気システムをテストしました。機器を再組み立てし、配線をチェックし、電線を確認し、コンセントのほこりを払いました。彼らはパラボラアンテナに登り、すべての継ぎ目、すべてのリベットをダクトテープで覆いました。彼らは再びほうきと雑巾を持ってパラボラアンテナに登り、彼らが後の論文で「白色誘電体」と呼んだもの、より一般的な言い方をすれば鳥の糞を、丁寧に掃除しました。でも、彼らの努力は全く無駄に終わったんです。
彼らは知らなかったんですが、そこから50キロメートル離れたプリンストン大学で、ロバート・ディケを率いる科学者グループが、まさにその2人の天文学者が除去しようとしているものを探そうとしていたんです。プリンストン大学の研究者たちは、ソ連生まれの天文学者ジョージ・ガモフが1940年代に提唱した仮説を研究していました。それは、宇宙の奥深くを見ると、ビッグバンの残骸である宇宙背景放射が見つかるはずだ、というものでした。ガモフは、その放射が宇宙をはるかに超えて、マイクロ波の形で地球に到達すると推定しました。最近発表された論文で、彼はホルムデルのベルアンテナのような装置で、それを達成できるとさえ提案しました。残念なことに、ペンジアスとウィルソンも、プリンストン大学グループの専門家も、ガモフの論文を読んだことがありませんでした。
ペンジアスとウィルソンが聞いたノイズは、まさにガモフが仮定したものでした。彼らは宇宙の端、少なくとも宇宙の150億光年先にある可視部分を発見したんです。彼らは最初の質子、つまり宇宙で最も古い光を「見て」いたんです。案の定、ガモフが予想したように、時間と距離がそれをマイクロ波に変えていました。アラン・グースは、彼の著書『インフレーション宇宙』の中で、この発見の位置づけを理解しやすいように、あるアナロジーを提案しています。宇宙の奥深くを見ることを、ニューヨークのエンパイアステートビルの100階から下を見下ろすことに例えるなら（100階が現在、街面がビッグバンの瞬間を表すと仮定します）、ペンジアスとウィルソンがその現象を発見したとき、すでに発見されていた最も遠い銀河は約60階に、最も遠いもの、つまりクエーサーは約20階にありました。ペンジアスとウィルソンの発見は、宇宙の可視部分に対する私たちの認識を、ホールの床から1センチメートル以内のところまで押し進めたんです。
ペンジアスとウィルソンは、ノイズの原因を見つけることができなかったため、プリンストン大学のディケに電話をかけ、彼らが遭遇した問題を説明し、彼が説明してくれることを期待しました。ディケは、2人の若い男性が何を発見したのかすぐに気づきました。「しまった、やつらに先を越された！」彼は電話を切るとすぐに、同僚に言いました。
その後まもなく、『天体物理学』誌に2つの論文が掲載されました。1つはペンジアスとウィルソンが執筆したもので、シューという音を聞いた経験について説明していました。もう1つはディケのグループが執筆したもので、その性質について説明していました。ペンジアスとウィルソンは宇宙の背景放射を探していたわけでもなく、発見したときにはそれが何であるかを知らず、その性質について記述したり説明したりする論文を発表しなかったにもかかわらず、1978年にノーベル物理学賞を受賞しました。プリンストン大学の研究者たちは、同情しか得られませんでした。デニス・オーバービーが彼の著書『宇宙の孤独な心』の中で述べているように、ペンジアスとウィルソンは、彼らの発見の重要性を、『ニューヨーク・タイムズ』の記事を見るまで理解していませんでした。
ちなみに、宇宙背景放射からの干渉は、私たちも経験したことがあるんですよ。テレビの信号を受信できないチャンネルに合わせると、表示されるギザギザの静電気のうち、約1％は、この古代のビッグバンの残骸によって引き起こされているんです。次回、画像の受信を文句言う時には、宇宙の誕生を見ているんだ、と思い出してください。
誰もがそれをビッグバンと呼んでいますが、多くの本が私たちに、それを通常の意味での爆発ではなく、範囲も規模も途方もなく大きい突然の爆発として見るように注意を促しています。それでは、その原因は何だったのでしょうか？
ある人は、その特異点は、以前に滅びた宇宙の残骸かもしれない、と考えています。私たちの宇宙は、一連の宇宙の1つにすぎない、と。これらの宇宙は、まるで酸素発生器の気嚢のように、周而復始、絶え間なく拡大と破壊を繰り返しているんです。ある人は、ビッグバンの原因を、いわゆる「偽の真空」、または「スカラー場」、または「真空エネルギー」のせいだと考えています。つまり、何らかの物質、あるいは何かが、当時の無に一定量の不安定性をもたらした、と。無から何かが生まれるのはありえないように思えますが、 과거に何もない状態から宇宙が生まれたことは事実なんです。おそらく、私たちの宇宙は、大小さまざまな、より大きな宇宙の一部に過ぎず、ビッグバンがあちこちで絶え間なく起こっているのかもしれません。そうでなければ、そのビッグバン以前には、時間と空間が、私たちが慣れ親しんでいないため想像もできない、全く異なる形をしていたのかもしれません。ビッグバンは、宇宙が私たちが理解できない形から、ほぼ理解できる形へと移行する、過渡期を表しているんです。「それは宗教的な問題とよく似ています」と、スタンフォード大学の宇宙学者アンドレイ・リンデ博士は、2001年に『ニューヨーク・タイムズ』の記者に語りました。
ビッグバン理論は、爆発そのものではなく、爆発後に起こったことについてなんです。爆発後間もなくのことです。科学者たちは、粒子加速器の中の状況を注意深く観察しながら、大量の計算を行い、そして、爆発後10のマイナス43乗秒後の状況を振り返ることができる、と考えています。その時、宇宙はまだ非常に小さく、顕微鏡を使わないと見えませんでした。私たちの目の前に現れる並外れた数字に、いちいち頭を悩ませる必要はありませんが、その把握しにくさと驚くべき度合いを忘れないために、時々理解してみるのもいいかもしれません。えーと、10のマイナス43乗秒っていうのは、0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1秒、つまり、千億兆分の1秒のことです。私たちが知っている、あるいは知っていると思っている宇宙の初期に関するほとんどのことは、1979年に若い粒子物理学者が最初に提案したインフレーション理論のおかげなんです。彼の名前はアラン・グース。当時、彼はスタンフォード大学で働いていて、現在はマサチューセッツ工科大学に所属しています。彼は当時32歳で、以前は大きな業績を上げたことがなかった、と自分で認めていました。もし彼が、たまたまビッグバンに関する講義を聞きに行かなかったら、偉大な理論を思いつくことはなかったかもしれません。その講義を開いたのは、ほかならぬロバート・ディケでした。講義によって、グースは宇宙論、特に宇宙の形成に興味を持つようになったんです。
そして、彼は最終的にインフレーション理論を提唱しました。この理論は、爆発後のほんの一瞬に、宇宙が劇的な拡大を経験した、と考えるものです。それは絶え間なく膨張し、実際には自分自身と一緒に逃げ出し、10のマイナス34乗秒ごとに大きさが2倍になりました。プロセス全体は、10のマイナス30乗秒、つまり100万兆兆分の1秒も続かなかったかもしれませんが、宇宙は手で持つことができるものから、少なくとも10億兆兆倍大きなものに変わったんです。インフレーション理論は、私たちの宇宙を可能にした鼓動と回転を説明しています。もし、この鼓動と回転がなかったら、物質の塊は存在せず、したがって星もなく、漂うガスと永遠の暗闇だけが存在したでしょう。
グースの理論によれば、1000億兆兆兆分の1秒以内に引力が生まれました。そして、非常に短い時間が過ぎた後、電磁力、強い核力、弱い核力が生まれました。つまり、物理学の材料です。その後、すぐに大量の基本的な粒子が生まれました。つまり、材料の材料です。無から有へ、突然、大量の光子、質子、電子、中性子、その他多くのものが生まれました。標準的なビッグバン理論によれば、それぞれ10の79乗から10の89乗個もの数です。
これほどの数は理解しがたいですよね。瞬間的に、巨大な宇宙ができた、とわかっていれば十分でしょう。この理論によれば、宇宙は非常に大きく、直径は少なくとも1000億光年あり、どんな大きさから無限大までありえます。星、銀河、その他の複雑な体系の創造のために、完璧に配置されているんです。
私たちの視点からすると、この結果が私たちにとって、あまりにも完璧であることが信じられません。宇宙の形がわずかに異なっていたら、例えば、引力がわずかに強かったり弱かったり、インフレーションがわずかに遅かったり速かったりしたら、あなたや私、私たちの足元にある地面を作るための安定した元素は、永遠に存在しなかったかもしれません。引力がわずかに強かったら、宇宙そのものが支えのないテントのように崩壊し、必要な大きさ、密度、構成要素を自分自身に与えるための適切な値はなかったでしょう。しかし、もし弱かったら、何も集まることはなかったでしょう。宇宙は永遠に単調で、分散し、空っぽだったでしょう。
専門家の中には、おそらく多くの別のビッグバンがあり、おそらく数兆回のビッグバンが、無限の永遠の中に分布している、と考える人がいるのは、そのためなんです。私たちがこの特定の宇宙に存在するのは、この宇宙が私たちの存在に適しているからなんです。コロンビア大学のエドワード・P・トライオンが言ったように、「なぜそれが生まれたのかという質問に答えるために、私の個人的な意見では、私たちの宇宙は、時々生まれるものの一つにすぎない」んです。これに対して、グースは次のように付け加えています。「宇宙を作ることはありえないことですが、トライオンが強調するように、失敗した回数を数えた人は誰もいないんです」。
英国王室天文学者マーティン・リースは、多くの宇宙、おそらく無数の宇宙があり、それぞれ異なる特性、異なる組み合わせを持っている、と考えています。私たちは、たまたま私たちが存在するのに適した組み合わせを持つ宇宙に住んでいるだけなんです。彼は、大規模なアパレルショップを例えに使っています。「もし衣服の種類が豊富なら、自分に合った服を見つけるのは難しくありません。もし多くの宇宙があり、それぞれの宇宙が異なるデータセットによって制御されているなら、生命に適した特定のデータセットを持つ宇宙があるでしょう。私たちはたまたまそのような宇宙にいるんです」。
リースは、私たちの宇宙は6つのデータによって支配されていて、その値がわずかに変化するだけでも、物事は今のようにはならない、と考えています。例えば、現在の宇宙が存在するためには、水素が正確で比較的安定した方法で、具体的に言うと、質量の1000分の7をエネルギーに変換する方法で、ヘリウムに変換される必要があります。もしその値がわずかに低かったら、例えば1000分の7から1000分の6に下がったら、変換は起こらなかったでしょう。宇宙は水素だけで構成されていたでしょう。もしその値がわずかに高かったら、例えば1000分の8に高かったら、結合は途切れることなく起こり、水素はとっくの昔に使い果たされていたでしょう。どちらの場合でも、このデータがわずかに変化するだけでも、私たちが知っていて必要としている宇宙は存在しなかったでしょう。
今のところ、すべてがうまくいっていると言わざるを得ないですね。長期的には、引力がわずかに強くなるかもしれません。いつか、宇宙の膨張を止め、自分自身を押しつぶし、最終的に別の特異点に崩壊させ、プロセス全体が再び始まる可能性もあります。一方、引力が弱すぎる可能性もあります。その場合、宇宙は永遠に膨張し続け、すべてが互いに離れていき、実質的な相互作用が起こることはなくなり、宇宙は非常に空虚で停滞した、生命のいない場所になるでしょう。3つ目の可能性は、引力がちょうど良い、ということです。これは宇宙論で言うところの「臨界密度」であり、宇宙を適切な範囲に制御し、物事が永遠に続くようにするものです。宇宙学者は、これを気軽に「ゴルディロックス効果」と呼ぶことがあります。つまり、すべてがちょうど良い状態にある、ということですね。（ちなみに、これらの3つの考えられる宇宙は、それぞれ閉じた宇宙、開いた宇宙、平坦な宇宙と呼ばれています。）
遅かれ早かれ、誰もが、もしあなたが宇宙の端に行って、カーテンから頭を突き出したら、何が起こるのだろうか、という疑問を抱くでしょう。あなたの頭はどこにあるのでしょうか（もしそれが宇宙の中にないとしたら）。あなたは向こう側に何を見るのでしょうか？答えは残念です。あなたは宇宙の端に決して到達できません。そこに行くのに時間がかかりすぎるから、というわけではありません。もちろん、時間がかかるのは事実ですが、たとえあなたが直線に沿って外に出て、絶え間なく外に出ようとしても、宇宙の端に到達することはありません。それどころか、あなたは出発点に戻ってきます（この時点で、あなたは落胆して、努力を放棄するかもしれません）。その理由は、アインシュタインの相対性理論（これについては後で説明します）によれば、宇宙は曲がっているからです。どのように曲がっているのか、私たちも想像することは難しいです。今のところ、私たちは膨張し続ける大きな泡の中に漂っているわけではない、と知っていれば十分です。正確に言うと、空間は曲がっていて、ちょうど無限でありながら有限であるようになっているんです。正確に言うと、空間が膨張しているとさえ言えません。なぜなら、ノーベル賞受賞者である物理学者スティーブン・ワインバーグが指摘したように、「太陽系と銀河は膨張しておらず、空間自体も膨張していない」からです。むしろ、銀河がお互いに猛烈な勢いで離れていっているんです。これは直感に反することです。生物学者J.B.S.ホールデーンは、「宇宙は私たちが想像するよりも奇妙であるだけでなく、私たちが想像できるよりも奇妙だ」という名言を残しています。
空間が曲がっていることを説明するために、平面宇宙から来た、球体を見たことのない人が地球にやってきた、というアナロジーがよく使われます。彼がこの惑星の表面をどれだけ歩いても、彼は決して端に到達することはありません。彼は最終的に出発点に戻ってくる可能性が高いでしょう。彼はもちろん混乱し、何が起こっているのか説明できないでしょう。えーと、私たちの空間における状況は、その人の状況と全く同じなんです。私たちはただ、もっと混乱しているだけなんです。
宇宙の端を見つけることができないのと同じように、宇宙の中心に立って、「宇宙はここから始まった。ここがすべての中央だ」と言うこともできません。私たちはみんな、すべての中央にいるんです。実際、私たちはこれについて確信が持てません。数学的に証明することはできません。科学者たちは、私たちが確かに宇宙の中央にいるのではないか、と推測しているだけです。それが何を意味するかを考えてみてください。しかし、この現象はすべての場所のすべての観察者にとって同じなんです。しかし、私たちは本当に確信が持てません。
私たちの知る限りでは、宇宙は形成されて以来、光が数十億年もかけて移動した距離までしか発展していません。この可視宇宙、つまり私たちが知っていて話している宇宙の直径は、15京キロメートルです。しかし、ほとんどの理論によれば、宇宙全体、つまり時には超宇宙と呼ばれるものは、さらに広大です。リースの言によれば、このより大きく、目に見えない宇宙の端までの光年の数は、「10個の0でも、100個の0でもなく、数百万個の0」を使って表されます。簡単に言うと、既存の空間は、あなたが想像するよりもはるかに広いんです。もう空間の外にさらに空間がある、などと想像する必要はないんです。
長い間、ビッグバン理論には大きな欠陥があり、多くの人がそれを理解できませんでした。つまり、私たちがどのようにしてこの世界にやってきたのかを説明できない、ということなんです。存在するすべての物質の98％はビッグバンによって作られましたが、その物質は完全に軽いガスで構成されていました。つまり、先ほど述べたヘリウム、水素、トリウムです。私たちの存在に不可欠な重い物質、炭素、窒素、酸素、その他すべての物質は、宇宙の創造過程で発生したガスではありません。しかし、ここに難点があります。これらの重い元素を作り出すためには、ビッグバンが放出したような熱とエネルギーが必要不可欠なんです。しかし、ビッグバンは一度しか起こっておらず、そのビッグバンは重い元素を作り出しませんでした。では、それらはどこから来たのでしょうか？興味深いことに、この問題に対する答えを見つけたのは、ビッグバン理論を全く軽蔑していた宇宙学者であり、ビッグバンという言葉を皮肉を込めて作った人物でした。
彼についてはすぐに説明します。でも、私たちがどうやってここに来たのかを議論する前に、