林住期の生き方

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zoom RSS 宇宙誕生と未知なる物質について。

<<   作成日時 : 2017/02/02 18:50   >>

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我々の住んでいる宇宙は約137億年前に誕生しました。量子力学によれば真空とは『 無 』ではなく粒子と反粒子が絶えず生成消滅を繰り返している活発な空間です。35年前にアレキサンダー・ビレンキンは時間も空間もない『 無 』からの宇宙創生と言う理論を提唱し、無の真空の揺らぎのトンネル効果により大きさは 10^-33cm (10のマイナス33乗cm) から膨張により現在住んでいる宇宙の誕生と学術論文に発表しています。

宇宙が膨張する為にはエネルギーの補給が必要で、真空中から絶えずエネルギーを補給しないと一定以上の密度を保つことは出来なくなる。初期のインフレーションによる急膨張は真空の相転移で起こったと言われています。通常の膨張速度であれば真空の空間からエネルギーを補給しながら成長してサイズも全体のエネルギー総量も増大して行ったと考えられます。

宇宙誕生直後は膨大な粒子と反粒子が対生成され、対消滅の時にわずかな差で粒子のみが生き残り星々が出来ました。銀河や生命の誕生に必要な各種の物理定数等は、極めて稀な確率で合理的に相関しています。僅かな数値の違いでも全体のバランスが崩れて、銀河や人間は出来ませんでした。

宇宙開闢の時は素粒子よりも小さいサイズから出発して、現在の大きさに成りました。素粒子の大きさは、10^-19m (10のマイナス19乗m) 。宇宙の大きさは、10^27m (10の27m)。比較すると10^46乗の差があります。137億年かけて今日の大きさになりました。

最初は色々な粒子が混じり合い混沌としたプラズマ状態で、膨張して温度が下がるに従って素粒子の世界に秩序が生まれ、ヒッグス粒子により質量が与えられる様になったと言われています。

力には4種類 ( 重力・強い力・弱い力・電磁力 ) あり、宇宙開闢の時は一つでしたが、膨張と温度低下によりそれぞれ分岐して行きました。これら4種類全ての力を一つの理論で説明出来る様に研究が進められています。超ひも理論はその有力な候補で理論的な矛盾を除去することには成功していますが、実験により検証することが困難で未だ確立した物理学の定説とは成っていません。

初期の急膨張であるインフレーションで宇宙の平坦性が確保されましたが、不確定性原理により一部に密度の揺らぎが残り、物質より約5倍の質量があるダークマター( 暗黒物質 )の片寄った場所に、その大きな重力に引き寄せられて原子が集まる様に成りました。そして星に成り銀河に成長して行きました。

宇宙の膨張につれて温度が低下した為に、最初に陽子と電子が結合して水素原子が出来て、ヘリウムは陽子・中性子・電子が各2個づつで出来ました。この二つの原子が沢山集まって星に成り密度の大きさが有る臨界点を超えると、核融合反応が起きて熱や光を出して星が輝き出しました。水素原子が無くなるとヘリウム原子の核融合が始まり、次々と重い原子が作られて行きます。

鉄の生成が核融合反応の最終段階で、重さが太陽の8倍以上ある場合は超新星爆発を起こします。この時に鉄以上の重い原子で有る金やウランなどが生成されて宇宙にばら撒かれます。再び、ばら撒かれた多種類の原子が重力により集まり、現在の様な星々や銀河が生まれました。

この宇宙は『 無 』から誕生して時間経過と共に大きく成り、無 < 素粒子 < 原子 < 分子 < 高分子( 人間 ) < 地球 < 太陽系 < 銀河系 < 宇宙 へと成長した事になります。

我々の住んでいるこの宇宙には、元素( 陽子・中性子・電子 )以外の物質の存在する事が1930年代に銀河の観測で分かって来ました。この未知なる物質をダークマター( 暗黒物質 )と命名されました。更に、1998年に宇宙は加速膨張している事も発見されました。膨張を加速させる物をダークエネルギーと命名されました。

未知なるダークマターとダークエネルギーの支配的な宇宙に私達が住んでおり、その質量密度の成分比は以下の割合です。

物質 ( 銀河の推定総質量、星間物質総量 ) 5 %
ダークマター ( 未知の物質 ) 26 %
ダークエネルギー ( 未知のエネルギー体 ) 69 %

ダークマターは日本語で暗黒物質と言われており、元素( 陽子・中性子・電子 )や光子以外の物質として宇宙観測で存在が予言されています。

宇宙誕生から銀河の生成と大規模構造に至る過程において、宇宙の構造形成にダークマターの果たす役割が大きかったとの見解もあります。

太陽系の各惑星は、ケプラーの法則に沿って面積速度一定で太陽の周りを公転しています。一方、銀河は我々の住んでいる太陽系を含んだ状態で更に大きく回転しています。但し、銀河の回転速度はケプラーの法則にあっていません。銀河の各恒星は、ほぼ同じ速度で回転しています。銀河中心からの距離が近くても遠くても変わらない。この観測結果から未知の物質の存在を想定して説明しようとしているのがダークマターです。

ダークマター( 暗黒物質 )と言う未知の物質は宇宙に存在する既存物質の約5倍の分量があります。ダークマターは重力のみに反応して可視光線やガンマー線等の電磁波では捕らえられません。望遠鏡でも顕微鏡でも直接見る事が出来ず、現在の科学技術では未知なるものです。しかし、ダークマターは宇宙の銀河の生成や回転に重要な役割を果たしています。更に、遠くの銀河を観測した時に大きな重力源の影響と考えられる光線の歪み( 屈折 )現象があります。重力レンズ効果と言われています。この現象は可視光線等の観測で存在を確認できる銀河の物質総量を合計しても不足します。従ってこの重力源は未知なる物として科学者は観測や実験によりその解明に当たっています。

ダークマターと想定されるものが現在次の如く色々あります。

1. 素粒子同士に働く強い力のCP対称性を保証するために理論的に提唱された『 アクシオン 』があります。強い磁場の影響を受けると光子に変わり、非常に軽くて速度がゼロに近い不思議な粒子です。

2. 素粒子の超対称性モデルで予言されている『 ニュートラリーノ 』があります。電気的に中性で電磁波を出さず陽子の千倍の質量があります。動きも遅いので有力な候補です。

3.最近その存在が証明された『 ヒッグス粒子 』があります。素粒子に質量を与える物で真空中に満たされていると言われています。

ダークマター( 暗黒物質 )については、銀河の地図を作成する時に重力レンズ効果を利用して、天空の一部のエリアにおいて立体的な分布図が既に作成されています。

ダークマターは、どんな波長の光( 電磁波 )も出さず、どんな物質とも衝突せずにすり抜ける性質があります。今後の宇宙観測や地球上での実験結果に委ねられています。ダークマター同士が衝突すると電子と陽電子の対生成があると言われるので、見つける為の観測がISS内で行われています。液体キセノンやゲルマニウム結晶にダークマターが衝突する様子を捉る為の検出装置も稼働しています。粒子加速器で陽子を高速で衝突させて、ダークマターを発生させる実験も行われています。これらの方法で発見される事を期待されています。

以前に余剰次元に存在するかも知れないとこのブログで書いた事あります。『 無 』からの宇宙創生と言う理論や『 超ひも理論 』との整合性を考えれば、宇宙誕生時に物質と非物質( ダークマター )に分離した過程の解明が重要だと思います。物質は三次元空間に現れ、非物質のダークマターは宇宙誕生前の余剰次元に残った状態で存在しているとも考えられます。両者はビックバンによる膨張過程で互いに重力で影響し合いながら銀河の大規模構造を作り現在に至っています。

一方、我々の住んでいるこの宇宙には『 ダークエネルギー 』と言う69%の分量の未知なる物があります。現在の宇宙を加速膨張させている張本人で、重力と反対の斥力( 反重力 )を持っており宇宙を外向きに押して宇宙を引き離しており、いくら膨張してもその密度は一定で宇宙空間に均一に広がっています。何処からかエネルギーを追加する必要もあり、熱力学の基本法則からは明らかに逸脱している不思議な物です。

ダークエネルギーは宇宙の加速膨張を起こす正体不明のもので、遠くの銀河ほど早く遠ざかって離れていきます。標準光源としているIa型超新星の観測で加速膨張が精度良く測定されています。

従来は宇宙に存在する物質の重力によりブレーキがかかり、膨張速度は遅くなると考えられていました。しかし、予想に反して最近の天体観測では加速している事が分かりました。その原因がダークエネルギーと言う物です。

アインシュタイン方程式にある宇宙項は、ダークエネルギーの発見で再び蘇って来ました。宇宙の大きさを一定に保つために宇宙定数を入れましたが、加速膨張している事が分かり方程式を元に戻す事となりました。

ダークエネルギーとは如何なるものか?現在の有力候補は『 真空のエネルギー 』と言われています。宇宙誕生の話と同様に、何も無い空っぽの『 真空のゆらぎ 』から発生していると言う物です。量子論の不確定性原理によるエネルギーのゆらぎです。仮想粒子である粒子反粒子の生成消滅も同じ現象です。そして真空のエネルギーはカシミール効果という現象を実験で検出されており証明されています。

ダークエネルギーの性質により宇宙の未来はどうなるか決まります。ダークエネルギーの密度は将来も一定か?或は時間経過で変化するのか?により宇宙の姿は変わります。無限に膨張して物質はバラバラになるのか?一点まで収縮して潰れてしまうのか?更には、ダークエネルギーは本当に存在するのか?重力の数値や重力の法則が宇宙の場所や時間で変化しないのか?との疑問も残ります。

すばる望遠鏡( 超広視野のカメラと分光器 )にて宇宙の銀河地図を作成しています。重力を及ぼすダークマターと斥力を及ぼすダークエネルギーの解明は、現在の天文学や宇宙論の大きな研究課題です。

無から誕生した我々の宇宙は物質から出来た銀河の集まりですが、性質が相反する合計95%の未知なるダークマター( 重力 )とダークエネルギー( 反重力 )の挟み撃ちにあって、5%の銀河宇宙は糸の切れた風船の様に何処に飛んでいくか分からない状態です。そして仮想粒子の対生成や対消滅も、真空のエネルギーも人間の理性ある一般常識から言えば、矛盾に満ちた現象です。

この世の真理を知る為に宇宙論の書物を読んでいます。しかし、考えれば考えるほどこの世の真の姿は矛盾に満ちており、その答えを得るのはたいへん難しいです。

久しぶりに宇宙論のテーマで投稿しました。

いつも気持玉を頂きありがとうございます。

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コメント(16件)

内 容 ニックネーム/日時
とても興味深いお話
読破させていただきました
小枝
2017/02/03 11:58
小枝さん こんにちは。

宇宙論は日常生活とかけ離れた遠大なお話です。読んで頂き有難うございます。内容は少し難しいですが、色々な関連する書籍を参考にして書きました。森羅万象とこの世の真理を科学的に理解する為には必要な知識です。

今日は節分の日ですね。福は内!鬼は外!と豆まきをする日で、節分豆と巻き寿司を買ってきました。
華の熟年
2017/02/03 16:24
こんにちは

無から発生したものは
無に帰する
大いなるものは
どんなに暴れても
やがて一番の安定に向かって
落ち着くものなのですね
無門
2017/02/03 19:09
無門さん こんにちは。

無から発生した我々の世界について、現在の科学的な知見をご紹介しました。エネルギーの保存則やエントロピーの法則にも従わない不思議な世界です。そして宇宙の未来はどうなるかは、69 % のダークエネルギーの性質により決まると言われています。
華の熟年
2017/02/04 11:12
宇宙の始まりは、時間も
空間もない「無」であるという
理論を初めて聞いた時、
何だか老荘思想のようでもあり、
「一切は空」という仏教的世界観の
ようでもあるなと感じたものです。
宇宙の始まりや、未来について
想像を巡らしてると、人の世の争いが
ちっぽけなものに見えて来ますね。
yasuhiko
2017/02/04 14:18
yasuhikoさん こんにちは。

宇宙誕生の話は仏教の基本的な教義に似ています。般若心経の一節に『 色即是空・空即是色 』と言う文言があり『 無 』の文字も沢山ありますね。『 唯識や空 』は客観的な実体のある物質は存在せず、意識の織りなす幻影であるとの考え方です。そして森羅万象は生成消滅を繰り返して『 諸行無常 』と言う話になります。無からの宇宙誕生や仮想粒子の生成消滅も同じ意味だと考えられます。

世界の政治や経済状況を宇宙のスケールで考えると、極小さい現象と言えます。人類は、人種・思想・言語・文化、等々の違いを乗り越えて、共存共栄で生きていくのが理想です。
華の熟年
2017/02/04 16:56
宇宙への旅ができる時代になりましたね。
宇宙からみる地球は美しいようですね。
そんな美しいところで争いが耐えません。
人間が破壊しつつあるのでしょうか。
みなみ
2017/02/04 18:25
こんばんは^^
拙ブログへのコメント有難うございました♪

う〜ん、宇宙誕生の謎ですか・・・。ブラックマター等、言葉は聞いた事がありますが、どうも私にはサッパリ・・・A^^;
ただ月並ではありますが、この神秘に満ちた世界に存在し生かされていることの奇跡を有り難いことと改めて感じさせて頂きました〜m(_ _)m
花とかめ
2017/02/04 23:50
人間が確認できているのは、宇宙のほんの一部でしかないのですね。地球と月の間から、人類はままだ行くことができていないのですから。スターウォーズや、スタートレックの世界を見られるのは、いつごろなんでしょうね。
bt9
2017/02/05 09:50
みなみさん こんにちは。

ISSと言う国際宇宙ステーションが約400kmの上空で地球を回っていますね。無重力状態で色々な実験や天体の観測なども行っています。将来は太陽系や銀河系の旅行ができる様になると思います。おっしゃる様に緑豊かな大切な地球環境を守る必要ありますね。
華の熟年
2017/02/05 10:17
花とかめさん こんにちは。

こちらこそコメントを頂き、初めてのご訪問を歓迎します。宇宙の誕生や謎に満ちたこの世界の科学的なお話をしています。おっしゃる様に神秘に満ちたこの世に生きているのは有難い事ですね。
華の熟年
2017/02/05 10:22
bt9さん こんにちは。

最新の宇宙論では、物質として認識できる数千億個の銀河を全て合わせても5%しかありません。残りの95%は未知なる物です。人間はアポロ計画で『 月 』まで行きましたが、遥かに遠い銀河系内への移動や他の銀河へ旅行する事は、未だ未だ遠い未来の話でしょうね。
華の熟年
2017/02/05 10:40
いつもご訪問ありがとうございます。

昨年11月、アムステルダム大学で物理学を教えるエリック・ヴァーリンデ教授が、「ヴァーリンデの重力仮説」を発表し、オランダ・ライデン大学の研究チームが、同理論を実証実験でも裏付けました。この理論は自由な変数であるダークマターを用いていないため、従来の理論よりもシンプルなのだそうです。ひょっとするとダークマターは存在しないかもしれないと話題になっています。
SHO
2017/02/06 20:03
華の熟年さん(^^)
おはようございます。
5日のNHK総合4時55分からの番組「宇宙をめぐる大冒険」を偶然に見てました(笑)
ながらテレビなので、もっとしっかり見ていれば良かったなぁーと後悔しています(^^;)
>ダークマターとダークエネルギー
はい、出てきましたよその言葉。
ほんとに宇宙の事考えると、毎日のチマチマした事がアホみたいに思えてきます(^^;)

詩音連音
2017/02/07 08:29
SHOさん こんにちは。

ご紹介して頂いた新しい重力理論は初めて知りました。おっしゃる様に昨年11月にアムステルダム大学のエリック・ヴァーリンデ教授が、エントロピック重力理論と言う仮説を発表されています。重力とは「物体の位置に関する情報量の変化によって生じるエントロピー的な力である」と説明していますね。

従来の物理学の基本構造を変える理論だと思います。アインシュタインの重力理論を否定しダークマターも存在していないと言う事になります。更に、自然界の4種類の力である『 重力・電磁気力・強い力・弱い力 』の基本構造や量子重力理論も全て書き換える事になります。

しかし、ヴァーリンデの重力仮説が広く物理科学者に認められる為には、過去に重力に関係する各種の理論や観測や実験データについて、その新しい理論を使って99%以上の精度で反証して、正当性を主張する非常に大きな責務を負っている事になります。

科学は日進月歩で、新しい理論や新しい観測や実験結果で、書き換えが頻繁に起こっています。今回の新しい重力理論が多くの科学者に認められるかどうかは、今後の理論のバージョンアップと観測や実験の範囲を広げ、更に精度を上げる事だと考えられます。
華の熟年
2017/02/07 11:12
詩音連音さん こんにちは。

NHKのテレビ番組で「 宇宙をめぐる大冒険 」を見られた様ですね。私は残念ながら番組を知らずに見落としました。宇宙は想像を超える大きさで不思議なことがありロマンを感じます。おっしゃる様に宇宙の大きさに比べると日常の事は極小さいですね。
華の熟年
2017/02/07 11:23

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宇宙誕生と未知なる物質について。 林住期の生き方/BIGLOBEウェブリブログ
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