かつて有名な科学者（バートランド・ラッセルと言われている）が天文学の講義をしたことがあります。彼は、地球がどのように太陽を周回しているかを説明し、太陽は銀河と呼ばれる膨大な星の集まりの中心を回っています.演説の終わりに、部屋の後ろに座っていた小柄なおばあさんが立ち上がって言いました。世界は、実際には巨大なカメの背中にある平らなプレートです。科学者は非常に教養のある笑顔で答えました: では、このカメは何の上に立っているのでしょうか?おばあさんは言いました、あなたはとても頭がいいです、若い男、あなたは確かにとても頭がいいです、しかしこれは背中に次から次へと背負っているカメのグループです！
ほとんどの人は、私たちの宇宙をカメの無限の塔と比較するのはばかげていると思うでしょうが、なぜ私たちはもっとよく知っていると思いますか?私たちは宇宙についてどのくらい知っていますか?そして、どうすればわかりますか？宇宙はどこから来て、どこへ行くのか?宇宙には始まりがありましたか？もしあれば、この始まりの前に何が起こったのですか?時間の性質とは？終わりがありますか？物理学における最近のブレークスルーによって、これらの長年の疑問に対する答えを明らかにする素晴らしい新技術がいくつか実現されました。いつの日か、これらの答えは、地球が太陽の周りを回っていると考えるのと同じくらい明白になるか、または亀の塔のようにばかげているようになるでしょう。いずれにせよ、時間だけが教えてくれます。
紀元前 340 年という早い時期に、ギリシャの哲学者アリストテレスは、その著書「空の上」で、地球が平板ではなく球体であるという事実について、2 つの非常に重要な議論を行うことができました。第一に、彼は月食が太陽と月の間を通過する地球によって引き起こされると信じていました。月に映る地球の影は常に丸く、これは地球自体が球体である場合にのみ当てはまります。地球が平らな円盤である場合、太陽が円盤の中心の真下にあるときに月食が常に発生しない限り、地球の影は楕円に引き伸ばされます。第二に、ギリシア人は旅の経験から、星空を南に見れば見るほど北極星が地平線に近づくことを知っていました。 (ポラリスは北極の真上にあるため、北極の観測者には頭上に見えますが、赤道にいる観測者には、ポラリスは地平線のすぐ上に見えます。)違い、アリストテレスは地球の大円の長さを四百スタジアム。スタジアムの長さは正確にはわかっていませんが、おそらく約 200 ヤードであり、アリストテレスの見積もりは現在受け入れられている値の 2 倍になります。ギリシア人は、地球が球形であるという 3 番目の引数を提供しました。そうでなければ、地平線の彼方から近づいてくる船が、常に最初に帆を表示し、次に船体を表示するのはなぜでしょうか?
アリストテレスは、地球は静止しており、太陽、月、惑星、星はすべて地球の周りを円軌道で公転していると信じていました。彼がこれを信じたのは、不思議な理由から、地球が宇宙の中心であり、最も完全な円で動いていると感じたからです。西暦 2 世紀に、この考えはプトレマイオスによって完全な宇宙モデルに洗練されました。地球はまさに中心にあり、8 つの天球に囲まれており、それぞれが月、太陽、星、およびその時点で知られている 5 つの惑星 (水星、金星、火星、木星、土星) を持っています (図 1.1)。惑星は、対応する天球に取り付けられた小さな円に沿って移動すると考えられており、空全体で観察されるかなり複雑な軌道を説明しています。最も外側の天球は、常に一定の相対位置にとどまる恒星で囲まれていますが、通常は空の周りを回転しています。天球の最後の層の向こうにあるものは常に不明ですが、1 つ確かなことは、それは人間が観察できる宇宙の一部ではないということです。
図1。1. 最も内側から順に、月、水の惑星、金星の惑星、太陽の球、火星の球、木星の惑星、土星の惑星、恒星の球です。中心は地球です。
プトレマイオスのモデルは、空の天体の位置を予測するためのかなり洗練されたシステムを提供しました。しかし、これらの位置を正確に予測するために、プトレマイオスは、月の軌道が他のときの 2 倍近く地球に近づいていると仮定しなければなりませんでした。プトレマイオスはこの欠点を認めていましたが、それでも彼のモデルは、普遍的ではないにしても、広く受け入れられました。聖書と一致する宇宙像としてキリスト教に受け入れられています。これは、恒星の圏外に天国と地獄がたくさんあるという大きな利点があるからです。
しかし、1514 年にニコラスという男がコペルニクスの司祭たちは、より単純なモデルを提案しました。 (当初、おそらく異端として教会による迫害を恐れて、コペルニクスは彼のモデルを匿名で回覧しました。) 彼の考えは、太陽は中心で静止しており、地球や他の惑星は太陽の周りを円を描いて動いているというものでした。彼の考えが真剣に受け止められるようになるまで、ほぼ 1 世紀かかりました。その後、ドイツの 2 人の天文学者ヨハンス。イタリアのケプラーとガリレイ。ガリレオはコペルニクスの理論を公に支持し始めましたが、それが予測した軌道は観測と完全には一致しませんでした。アリストテレス/プトレマイオスの理論が死んだと宣言されたのは1609年になってからでした。その年、ガリレオは新しく発明された望遠鏡を使って夜空を観察しました。彼が木星を観察したとき、彼はそれを周回するいくつかの小さな月または月を見つけました。これは、アリストテレスとプトレマイオスが想像していたように、すべてが地球を直接周回する必要がないことを示しています。 (もちろん、地球が宇宙の中心に静止していて、木星の月が非常に複雑な軌道で地球の周りを移動しているため、木星の周りを回転しているように見えると信じることができます。しかし、コペルニクスの理論は同時に、ケプラーはコペルニクスの理論を修正し、惑星は円に沿って移動するのではなく、楕円 (楕円は細長い円) に沿って移動すると考え、予測と観測が最終的に一致するようにしました。お互いに。
ケプラーに関する限り、楕円軌道は単に当然のことと考えられていました。楕円は明らかに円よりも完全ではないため、かなり厄介な仮定でした。彼は、ほぼ偶然に、楕円軌道が観測結果とよく一致することを発見しましたが、太陽の周りの惑星の運動は磁力によるものであるという彼の別の考えとそれを一致させることができませんでした。1687 年の Isaac のために、これらすべての説明はずっと後になります。ニュートン卿は、これまでに書かれた物理科学に関するおそらく最も重要な単著である「数学の原理」を出版しました。この本で、ニュートンは物体が空間と時間でどのように動くかについての理論を提案しただけでなく、これらの動きを分析するために必要な複雑な数学も開発しました。また、ニュートンは万有引力の法則を提唱し、この法則によれば、宇宙のあらゆる物体は他の物体に引き寄せられ、物体の質量が大きく、物体間の距離が近いほど、物体間の引力は大きくなります。これは物体が地面に落ちる力です。 (ニュートンが頭の上に落ちたリンゴに触発されたという話は、ほぼ確実に信頼できない. ニュートン自身が言ったことは、彼が物思いにふけっている間に、落ちてくるリンゴが彼に重力の考えを与えた. 考えた.) ニュートンは行った.彼の法則によれば、重力によって月は楕円軌道で地球を周回し、地球や他の惑星は楕円軌道で太陽を周回する.
コペルニクスのモデルは、プトレマイオスの天球から遠ざかり、それに関連して宇宙には自然の境界があるという考えから離れました。恒星は、地球が自身の軸を中心に回転しているため、空を横切る回転を除いて位置を変えません。恒星を太陽に似た物体と考えるのは自然なことです。太陽。
万有引力の理論に従って、ニュートンは星が互いに引き付けられるべきであることに気付きました。それで、それらはすべてどこかに一緒に落ちますか？1691 年に当時の第一人者であるリチャードに宛てて書かれたベントレーの手紙の 1 つで、彼は、限られた数の星だけが空間の有限領域に分布していれば、これが実際に起こるだろうと主張しました。しかし一方で、彼は、無限の空間に多かれ少なかれ一様に分布する無限の数の星がある場合、それらが落ちる中心点がないため、これは起こらないと推論しました.
この種の議論は、人々が無限について話すときに陥る落とし穴の 1 つです。無限の宇宙では、その両側に無限の星があるため、すべての点を中心と見なすことができます。ずっと後に実現した正しいアプローチは、最初にすべての星が互いに落ちる有限のケースを考え、次にこの領域の外にほぼ均一に星を追加し、物事がどのように変化するかを見ることです.ニュートンの法則によれば、余分な星は平均して元の星にまったく影響を与えないため、同じ速さで一緒に落ちます。好きなだけ星を追加できますが、それらは常に一緒に崩壊します。重力は常に引力であるため、宇宙の無限の静的モデルはあり得ないことがわかっています。
20 世紀以前は、宇宙が膨張または収縮しているとは誰も示唆していませんでした。これは興味深いことに、当時の思想の風潮を反映しています。一般に、宇宙は無限の時間にわたって不変の状態で存在してきたか、今日見られるように多かれ少なかれ過去に有限の時間に作成されたと考えられています.これは、人々が永遠の真理を信じる傾向があることも一因かもしれませんが、人は死んでも、宇宙は不滅で不変でなければならないため、慰めとなるのです。
ニュートンの重力理論によって宇宙が静止していることは不可能であることに気付いた人でさえ、宇宙が膨張している可能性があることを示唆することは考えていませんでした.代わりに、彼らは理論を修正して、重力が非常に大きな距離で反発するようにしようとしました。これは、惑星運動の予測に大きな影響を与えることはありませんが、無限の数の星の分布がバランスを保つことを可能にします.近くの星の間の引力は、遠くの星の間の斥力によって釣り合っています.しかし、このような均衡は不安定であることがわかっています。ある領域内の星が互いに少しでも近づくと、引力が増加して反発力を上回り、星は一緒に落下し続けます。逆に、特定の領域の星が互いに少し離れている場合、斥力が支配的な役割を果たし、それらをさらに遠ざけます。
無限に静的な宇宙に対する別の反論は、通常、ドイツの哲学者ハインリヒ・フューラーによるものとされています。1823年にこの理論を発表したObers。実際、ニュートンの同時代の何人かはすでにこの問題を提起していました。Orbus の記事でさえ、もっともらしくこのモデルに反論した最初の記事ではありません。とにかく、これは広く注目を集めた最初の記事です。この無限静止モデルの難しさは、ほぼすべての視線が何らかの星の表面で終わらなければならないことです。このように、夜でも空全体が太陽のように明るいことが期待できます。Obers は、遠くの星の光は、それが通過する物質による吸収によって減衰すると反論した.しかし、もしそうなら、コヒーレントな物質は最終的に星のように明るく輝くところまで加熱されるでしょう.空全体が太陽と同じくらい明るいという結論を避ける唯一の方法は、星が永遠に輝いたのではなく、過去に限られた時間だけ輝き始めたと仮定することです。この場合、光を吸収する物質がまだ加熱されていないか、遠くの星からの光がまだ私たちに届いていません。これは、そもそも何が星を輝かせたのかという疑問に私たちを導きます。
もちろん、宇宙の始まりの問題は、これよりずっと前に議論されていました。初期の宇宙論とユダヤ/キリスト教/イスラム教の伝統によると、宇宙は有限でそれほど遠くない過去のある時点で始まりました。そのような始まりに対する反論の 1 つは、宇宙の存在を説明する最初の原因がなければならないという考えです。 (宇宙では、ある出来事が別の以前の出来事によって引き起こされたものとしていつでも説明できますが、宇宙自体の存在は、何らかの始まりがあった場合にのみ説明できます。) もう 1 つの議論は、St.アウグスティヌスは著書「神の都」で.文明は進歩し、これらの偉業を成し遂げ、技術を発展させた人々を思い出すだろう、と彼は指摘した。そのような人々、そしておそらく宇宙は、それほど長く存在することはできませんでした.セント。アウグスティヌスは、創世記に基づいて、紀元前 5000 年を宇宙の創造の時と認めました。 (興味深いことに、これは最後の氷河期の終わり、紀元前 1 年頃からさほど遠くありません。考古学者は、文明が実際に始まったのはその頃だと言っています。)
一方、アリストテレスや他のほとんどのギリシャの哲学者は、神学的干渉が多すぎるため、創造の考えを嫌っていました.そのため、人間と周囲の世界は永遠に存在し続けると信じています。古代の人々は、文明の進歩に関する上記の議論を考慮に入れ、定期的な洪水やその他の災害の再発は、人類を文明の始まりに戻すと言って、上記の質問に答えました.
1781年、哲学者インマヌエル。カントは、彼の画期的な (そして非常に漠然とした) 著作である「純粋理性批判」を発表し、その中で彼は、宇宙に時間の始まりと空間の限界があったかどうかという問題を深く調べています。彼はこれらの問題を純粋理性の二律背反（つまり矛盾）と呼んだ。彼は、宇宙には始まりがあるというテーゼと、宇宙が無限に存在していたというアンチテーゼに対して、等しく説得力のある議論があると感じたからです。肯定的な命題に対する彼の主張は次のとおりです。宇宙に始まりがなければ、あらゆる出来事の前に無限の時間が存在するに違いありません。彼はばかげていると思った。アンチテーゼに対する彼の主張は次のとおりです。宇宙に始まりがあった場合、その前に無限の時間があったに違いありません。なぜ宇宙は特定の瞬間に始まらなければならなかったのでしょうか。実際、彼はテーゼとアンチテーゼに同じ議論を使用しています。それらはすべて、宇宙が無限に長く存在したかどうかに関係なく、時間が無限に戻るという彼の暗黙の仮定に基づいています.後述するように、時間の概念は、宇宙が始まる前は意味がありませんでした。これはセントです。アウグスティヌスが最初に指摘した。彼が尋ねられたとき：神は宇宙を創造する前に何をしましたか?アウグスティヌスはこのようには答えませんでした。彼は、そのような質問をする人のために地獄を準備していたのです。むしろ、時間は神によって創造された宇宙の所有物であり、宇宙の始まりより前には存在しなかったと言っています。
ほとんどの人は本質的に静的で不変の宇宙を信じていますが、宇宙に始まりがあったかどうかという問題は、実際には形而上学的または神学的なものです。観測された事実は、宇宙が無限に長く存在してきたという理論に従って、または宇宙が無限に存在していたという印象を与えるような方法で有限の瞬間に開始するという理論に従って、等しくうまく説明できます。しかし1929年、エドウィン。ハッブルは、どの方向を見ても、遠方の銀河が私たちから急速に遠ざかっているという画期的な観測を行いました。つまり、宇宙は膨張している。これは、以前は星が互いに近づいていたことを意味します。実際、約100億年から200億年前のある時点で、それらはたまたま同じ場所にあったようで、当時の宇宙の密度は無限大でした.この発見は、ついに宇宙の始まりの問題を科学の領域に持ち込んだ。
ハッブルの発見は、宇宙が無限に小さく、無限にコンパクトだったビッグバンと呼ばれる瞬間を暗示しています。このような状況では、科学のすべての法則、したがって未来を予見するすべての能力が無効になります。この瞬間より前にイベントがあったとしたら、現在起こっていることに影響を与えることはできなかったでしょう。したがって、観察可能な結果がないため、それらを無視できます。それ以前の時代はまったく定義されていないため、この意味で時間はビッグバンで始まったと言えます。この時代の始まりは、以前に考えられていたものとは非常に異なっていることを強調しなければなりません。不変の宇宙では、時間の終点は宇宙の外の存在によって与えられなければならず、宇宙が始まりを持つ物理的な必要性はありません。過去のどの時点でも、神が宇宙を創造したと想像することができます。一方、宇宙が膨張している場合、宇宙が始まったのには物理的な理由があるようです。神がビッグバンの瞬間に、あるいはビッグバンがあったかのように見えるような方法で宇宙を創造したと想像することはできますが、それを想像するのは無意味です.ビッグバンの前に宇宙ができた。ビッグバンモデルは創造主を除外するのではなく、創造主が仕事をする時間に制限を設けるだけです!
宇宙の性質について話し、宇宙には始まりがあるのか終わりがあるのかなどの質問を議論するには、科学理論とは何かを明確にする必要があります。理論は宇宙のモデルまたは宇宙の制限された部分にすぎず、このモデルを私たちが観察する量に結び付けるいくつかの規則であるという単純な見方をします。それは私たちの心の中にのみ存在し、他の現実はありません (あらゆる意味で)。理論は、次の 2 つの要件を満たす場合に優れていると見なされます。少数の恣意的な要素のみを含むモデルに基づいて多数の観測を正確に記述しなければならず、将来の観測の結果について明確な予測を行う必要があります。たとえば、すべてのものは地、風、火、水の 4 つの要素でできているというアリストテレスの理論は、単純ですが、決定的な予測はしていません。一方、ニュートンの重力理論は、2 つの物体間の相互引力が質量と呼ばれる量に比例し、物体間の距離の 2 乗に反比例するという、さらに単純なモデルに基づいています。しかし、太陽、月、惑星の動きを非常に正確に予測しました。
どんな物理理論も、それは仮説にすぎないという意味で常に暫定的であり、証明することはできません。実験の結果が理論と何度一致しても、次回は結果が矛盾しないとは断言できません。一方で、理論的予測と矛盾する観測事実を見つけさえすれば、それは改ざんされる可能性があります。科学の哲学者カールとして。ポパは、優れた理論の特徴は、原則として観察によって反証または反証できる多くの予測を行うことであると強調しました。予測と一致する新しい実験が観察されるたびに、理論は存続し、それに対する信頼が高まりますが、新しい観察が一致しない場合は、理論を破棄または修正する必要があります。少なくとも、遅かれ早かれそうなるだろうと考えられていますが、問題は、そのような観察を実現する能力が人々にあるかどうかです。
実際、考案された新しい理論が元の理論の一般化であることがよくあります。たとえば、惑星水星の非常に正確な観測により、水星の運動とニュートンの理論によって予測された運動との間に非常に小さな相違があることが明らかになりました。アインシュタインの一般相対性理論で予測された運動は、ニュートンの理論とは少し異なります。アインシュタインの予測が観測と一致したが、ニュートンの予測は一致しなかったという事実は、新しい理論の重要な証拠です。ただし、ほとんどの実際的な状況では依然としてニュートンの理論を使用しています。これは、私たちが通常扱う状況では、2 つの理論の違いが非常に小さいためです。 (ニュートンの理論のもう 1 つの大きな利点は、アインシュタインの理論よりもはるかに扱いやすいということです!)
科学の究極の目的は、宇宙全体を説明するための簡単な理論を提供することです。しかし、ほとんどの科学者が従うアプローチは、問題を 2 つの部分に分割することです。まず、宇宙がどのように変化するかを示す法則があります (ある時点で宇宙がどのように見えるかを知っていれば、これらの法則は将来のいつでも宇宙がどのように見えるかを教えてくれます)。宇宙の初期状態の問題。科学は最初の部分だけを扱うべきだと考える人もいます.彼らは、初期状態の問題は形而上学または宗教のカテゴリーであるべきだと考えています.全能の神は、この宇宙を自由に動かすことができると彼らは言うでしょう。たぶんそうです。しかし、その場合、彼は宇宙を完全に恣意的な方法で進化させることもできました.しかし、彼は非常に規則的で規則的な方法で進化するために宇宙を選んだようです.したがって、初期状態を支配する法則もあると仮定することは、同様に合理的です。
宇宙全体を一度に説明できる理論を設計することは非常に難しいようです。代わりに、問題を多くの小さな断片に分割し、多くの部分的な理論を発明します。理論の各部分は、特定の限られた範囲の観測を記述および予測しますが、他の量の影響を無視するか、単純な数値セットでそれらを表します。たぶん、このアプローチはすべて間違っています。宇宙のすべてが非常に根本的な方法で他のすべてのものに依存している場合、問題の一部を分離して研究することによって完全な答えに近づくことはおそらく不可能でしょう.そうは言っても、それは確かに私たちが過去に進歩してきたアプローチです.もう 1 つの古典的な例は、ニュートンの重力理論で、2 つのオブジェクト間の重力は、各オブジェクトとその質量に関連付けられた数によってのみ決定され、オブジェクトの構成要素とは関係がないことを示しています。このようにして、構造や組成の理論がなくても、太陽や惑星の軌道を計算できます。
今日の科学者は、一般相対性理論と量子力学という 2 つの基本的な部分理論の観点から宇宙を説明しています。それらは 20 世紀前半の偉大な知的成果です。一般相対性理論は、重力と宇宙の大規模な構造、つまり、わずか数マイルから 10 億 100 万 100 万 100 万 (1 の後に 24 個のゼロが続く) までの範囲のスケールでの観測可能な宇宙の構造を説明します。 ）マイル。一方、量子力学は、1 兆分の 1 インチなどの非常に小さなスケールの現象を扱います。残念ながら、この 2 つの理論には互換性がなく、両方が正しいとは言えません。現代物理学における主要な試みであり、この本の主題は、それを組み込むことができる重力の理論的量子理論の探索です。私たちはまだそのような理論を持っておらず、それを得るにはまだ長い道のりがあるかもしれませんが、そのような理論が持つべき多くの特性をすでに知っています.次の章では、重力の量子論が何を予測すべきかについて、すでにかなり多くのことを知っていることがわかります。
さて、宇宙は恣意的ではなく、明確な法則によって支配されていると信じるなら、最終的にはこれらの部分的な理論を組み合わせて、宇宙のすべてを説明できる完全な統一理論にする必要があります.しかし、そのような完全な統一理論の探求には根本的なパラドックスがあります。上記の科学理論に関する考え方では、私たちは自由に宇宙を観察し、観察から論理的な推論を引き出すことができる合理的な存在であると想定されています。このようなスキームでは、宇宙を支配する法則の発見にますます近づいていると考えるのが妥当です。しかし、完全に統一された理論があれば、それは私たちの行動も決定します。このように、理論自体が私たちの探求の結果を決定します!では、なぜ証拠から正しい結論を引き出す必要があるのでしょうか?それはまた、私たちが間違った結論を導き出しているということでもありませんか?それとも結論が出ない？
この質問に私が与えることができる答えは、ダーウィンの自然淘汰の原理に基づいています.アイデアは、任意の自己複製集団では、個体間の遺伝物質と発達にバリエーションがあるということです.これらの違いは、周囲の世界について正しい結論を導き出し、それに適応する点で、他の人より優れている人がいることを示唆しています。これらの個人は生き残り、繁殖する可能性が高いため、彼らの行動と思考のパターンがますます支配的になります.これは、私たちが知恵や科学的発見と呼んでいるものは、私たちに生存上の利点をもたらしたということで、過去には真実だったに違いありません.これが今後も続くかどうかは、あまりはっきりしていません。そうでなかったとしても、完全に統一された理論が私たちの生存の可能性に大きな違いをもたらすことはありません.しかし、宇宙がこれまで規則的に進化してきたと仮定すると、自然淘汰によって私たちに与えられた推論能力は、完全な統一理論の探索においても有効であり、したがって間違った結論に導くことはないと期待できます。 .
最も極端な場合を除いてすべての正確な予測を与えるのに十分な部分的な理論があるため、現実的な理由で宇宙探査の究極の理論を正当化することは難しいようです. (同様の議論が相対性理論や量子力学を攻撃するために使用できる一方で、これらの理論は原子力エネルギーやマイクロエレクトロニクスに革命をもたらしたことを指摘する価値があります!) したがって、完全に統一された理論の発見は、私たちの生き残りにとって重要かもしれません。無力感は私たちの生き方にも影響を与えません。しかし、文明の始まり以来、人々は出来事を無関係で不可解なものと見なすことに満足してきませんでした。彼らは、世界の根底にある秩序を理解したいと切望しています。今日、私たちはまだ知りたがっています。なぜ私たちはここにいるのでしょうか?私たちはどこから来たのですか？知りたいという人間の最も深い欲求は、私たちが従事する絶え間ない探求を正当化するのに十分です。そして私たちの目標は、私たちが住んでいる宇宙を完全に説明することです.