月のない晴れた夜に空を見上げると、最も明るい天体は、金星、火星、木星、土星である可能性が最も高く、太陽のような天体ははるかに遠くにあります。出演者。実際、地球が太陽の周りを公転しているとき、特定の恒星は互いに相対的にわずかに変化しますが、それらは私たちに比較的近いため、実際には固定されているわけではありません。地球が太陽の周りを回っているとき、私たちはより遠くの星を背景に、さまざまな位置からそれらを観察します。これは幸いなことに、私たちからこれらの星までの距離を直接測定することができます。星が私たちに近づくほど、それらはより多く動いているように見えます。最も近い星はプロキシマ ケンタウリと呼ばれ、約 4 光年 (そこからの光が地球に到達するまでに約 4 年かかります)、または約 23 兆マイル離れています。肉眼で見える他のほとんどの星は、私たちから数百光年以内にあります。それに比べて、私たちの太陽はわずか 8 光分しか離れていません。目に見える星は夜空全体に散らばっていますが、特に天の川と呼ばれる帯に集中しています。西暦1750年までさかのぼると、一部の天文学者は、目に見える星のほとんどが単一の円盤状の構造にある場合、天の川の外観を説明できると示唆していました.円盤状の構造の例は、今日私たちが渦巻銀河と呼んでいるものです。わずか数十年後、天文学者ウィリアムハーシェル卿は、細心の注意を払って多数の星の位置と距離をカタログ化することにより、彼の概念を確認しました。それでも、この考えは 20 世紀の初めまで完全には受け入れられませんでした。
1924 年に、私たちの宇宙の現代像が確立されました。それは、アメリカの天文学者エドウィンによるものです。ハッブルは、私たちの銀河が唯一のものではないことを証明しました。実は他にもたくさんの銀河があり、それらの間には大きな空間があります。これを証明するために、彼はこれらの銀河までの距離を決定しなければなりませんでした。これらの銀河は非常に遠くにあるため、近くの星とは異なり、静止しているように見えます。そのため、ハッブルはこれらの距離を測定するために間接的な手段を使用することを余儀なくされました.星の見かけの明るさは、放射される光の量 (絶対等級) と星からの距離という 2 つの要因によって決まることはよく知られています。近くの星については、見かけの明るさと距離を測定することができ、絶対的な明るさを計算することができます。逆に、他の銀河の星の絶対的な明るさが分かっていれば、それらの見かけの明るさを測定することでそれらの距離を計算できます。ハッブルは、特定の種類の星が、測定できるほど近くにある場合、絶対光度が同じであることを発見したので、他の銀河でそのような星を見つけた場合、それらの絶対光度は同じであると仮定できると提案しました。その銀河までの距離を計算するために使用されます。同じ銀河内の多くの星に対してこれを行うことができ、計算で常に同じ距離が得られた場合、推定値にかなりの信頼が持てます.
エドウィン。ハッブルは、上記の方法を使用して、9 つの異なる銀河の距離を計算しました。現在、私たちの銀河は、現代の望遠鏡で見ることができる数千億の銀河の 1 つにすぎず、それぞれに数千億の星が含まれていることがわかっています。図 3.一つは渦巻銀河の写真ですが、他の銀河に住んでいる人から見ると、私たちの銀河はこのように見えるに違いありません。私たちは、差し渡し約 100,000 光年のゆっくりと回転する銀河に住んでおり、その渦状の腕にある星は、約数億年かけてその中心を周回しています。私たちの太陽は、らせん状の腕の内側の端にある平均的な大きさの黄色い星にすぎません。地球が宇宙の中心であると考えていたアリストテレスとプトレマイオスの考えから、私たちは遠く離れていたに違いありません!図 3.一
星は私たちから遠く離れているため、小さな光の点しか見えず、大きさや形は見えません。では、どのようにして星の種類を区別できるのでしょうか?大多数の星には、観測される光の色という 1 つの特徴しかありません。ニュートンは、太陽光がティントと呼ばれる三角形のガラスのブロックを通過すると、虹のようにサブカラー (スペクトル) に分解されることを発見しました。望遠鏡の焦点を単一の星または銀河に合わせることで、その星または銀河からのスペクトル線を同様に観察できます。異なる星は異なるスペクトルを持っていますが、異なる色の相対的な明るさは常に、真っ赤な天体が発するスペクトルと正確に一致します。 (実際には、不透明で熱い物体からの光は、その温度のみに依存する特徴的なスペクトル熱スペクトルを持っています。これは、星のスペクトルからその温度を知ることができることを意味します。)星のスペクトルには見られず、これらの欠落したスペクトル線は星ごとに異なる可能性があります。各化学元素には非常にユニークな吸収線群があることがわかったので、それらを星のスペクトルに欠けている線と比較することで、星の大気にどの元素が存在するかを正確に判断できます。
20 年代に天文学者が他の銀河の星のスペクトルを調べ始めたとき、彼らは最も奇妙な現象を発見しました。それらはすべて天の川銀河の赤い端に向かってシフトしたことを除いて、私たちの天の川と同じ特徴的な吸収線ファミリーを持っていました。スペクトル.同じ相対量.この意味を理解するには、まずドップラー効果を理解する必要があります。可視光は、400 万から 700 万兆回の振動数 (または 1 秒あたりの振動数) の電磁場の浮き沈み、または変動であることは既にわかっています。異なる周波数の光は、人間の目には異なる色として表示されます。スペクトルの赤端にある最低周波数と青端にある最高周波数です。恒星などの光源が私たちから一定の距離にあり、一定の周波数で光波を放射していると想像してください.明らかに、放射されたのと同じ周波数で波を受信します（銀河の重力場は、目に見えるほど強くはありませんそれに影響します）。この恒星の光源が私たちに向かって動き始め、光源が 2 番目の頂点を発するとき、光源は私たちに近づいているため、この頂点が私たちに到達するのにかかる時間は、星が静止している場合よりも短いとします。これは、私たちに到達する 2 つの山の間の時間が短いことを意味し、星が静止しているときよりも 1 秒あたりの振動数 (周波数) が高い波を受信します。同様に、光源が私たちから遠ざかると、私たちが受け取る波の周波数は低くなります。つまり、光の場合、これは、星が私たちから遠ざかるにつれてスペクトルが赤方偏移し (赤方偏移)、星が私たちに近づくにつれてスペクトルが青方偏移することを意味します。このドップラー効果と呼ばれる周波数と速度の関係は、私たちの身近にあるもので、例えば、車が通り過ぎる音を聞くと、車が近づくとエンジンの音が高くなります（音波のより高いピッチ）周波数）;それが私たちを通り過ぎるにつれて、そのピッチは低下します。光や電波も同じように振る舞います。警察は、ドップラー効果の原理を使用して、電波のパルスが車両から跳ね返る周波数によって車両の速度を測定します。
ハッブルが他の銀河の存在を証明してから数年間、彼はそれらの距離と観測されたスペクトルをカタログ化することに時間を費やしました。当時、ほとんどの人は、これらの銀河の動きは非常に混沌としていると信じていたため、赤方偏移と同じくらい多くの青方偏移スペクトルが見つかると予想されていました。しかし、非常に驚くべきことに、彼はほとんどの銀河が赤方偏移しており、ほとんどすべてが私たちから遠ざかっていることを発見しました!さらに驚くべきは、ハッブルが 1929 年に発表した結果です。銀河の赤方偏移の大きさでさえランダムではなく、銀河と私たちの距離に比例します。言い換えれば、銀河が遠くにあるほど、より速く私たちから遠ざかっています!これは、宇宙が当初考えられていたように静止しているわけではなく、実際には膨張していることを示唆しており、銀河間の距離は常に増加しています。
膨張する宇宙の発見は、20 世紀最大の知的革命の 1 つでした。後から考えると、なぜこれまで誰もこのことを考えなかったのでしょうか? !ニュートンや他の誰かが、静的な宇宙が重力の影響下で急速に収縮し始めることに気付いたでしょう。しかし、宇宙が膨張していると仮定すると、宇宙の膨張がかなりゆっくりである場合、重力によって最終的に膨張が停止し、収縮し始めます。しかし、ある臨界速度よりも速く膨張すると、膨張を止めるほど重力が強くなることはなく、宇宙は永遠に膨張し続けます。これは、人が地球の表面でロケットに点火したときに起こることと少し似ています. ロケットがかなりゆっくりと動いている場合, 重力は最終的にそれを止めて地面に戻ります.それを引き戻せば、永遠に地球から離れて飛び続けます。19 世紀、18 世紀、さらには 17 世紀後半のいつでも、ニュートンの重力理論からこの宇宙の挙動を予測できたはずです。しかし、静的宇宙に対する信念は非常に強かったため、20 世紀初頭まで存続していました。アインシュタインでさえ、1915 年に一般相対性理論を発表したとき、宇宙は静的でなければならないことを確信していたので、静的な宇宙が可能になるように、いわゆる宇宙定数を彼の方程式に導入して理論を修正しなければなりませんでした。アインシュタインは、他の力とは異なり、特定の源から発生するのではなく、時空の構造に固有の力である新しい反重力を導入しました。彼は、時空には膨張する固有の傾向があり、宇宙のすべての物質の相互の引力のバランスをとるために使用でき、その結果、静的な宇宙が生じると主張しました.アインシュタインや他の物理学者が、一般相対性理論によって予測された非静的な宇宙を避けようと奔走していた一方で、ロシアの物理学者で数学者のアレクサンダー アレクサンダーは 1 人しかいないように思われました。フリードマンは、一般相対性理論のみを使用してそれを説明しようと試みました。
フリードマンは、宇宙について 2 つの非常に単純な仮定を立てました。フリードマンは、これら 2 つのアイデアだけから、宇宙は静的ではないことを期待すべきだと指摘しました。実際、フリードマンは 1922 年に予測を行い、エドウィンはそのわずか数年後に予測を行いました。ハッブルが観測したこと
明らかに、宇宙がどの方向から見ても同じように見えるという仮定は、実際には正しくありません。たとえば、私たちが見ているように、私たちの銀河の他の星は、天の川と呼ばれる夜空を横切る光の帯を形成しています.しかし、遠くを見ると、銀河の数はほぼ同じに見えます。したがって、銀河間の距離よりも大きなスケールで見ると仮定すると、小さなスケールでの違いに関係なく、宇宙はすべての方向でほぼ同じに見えます。長い間、これは実際の宇宙の大まかな近似としてのフリードマンの仮説を十分に支持していました。しかし、最近の幸運な出来事により、フリードマン仮説が実際に私たちの宇宙を驚くほど正確に説明していることが明らかになりました.
1965年、米国ニュージャージー州ベル電話研究所のアーノルド。ペンジアスとロバート。ウィルソンが非常に高感度のマイクロ波検出器をテストしていたとき (マイクロ波は光波のようなものですが、その周波数は毎秒 100 億振動程度です)、彼らの検出器は予想以上のノイズを拾いました。これは Penzias と Wilson を心配させました; 騒音は特定の方向から来ているようには見えませんでした.最初に彼らはプローブに鳥の糞を見つけ、他の可能性のある欠陥をチェックしましたが、すぐにそれらを除外しました.彼らは、探査機が空に向かって斜めに向けられたとき、大気からのノイズは、垂直に向けられたときよりも強くなるべきであることを知っていました.光は、頭上よりも地平線に沿って厚い大気を通過するためです.ただし、この余分なノイズは、プローブがどの方向を向いていても同じであるため、大気の外から来て、昼夜を問わず、つまり地球が自転または公転している場合でも、常に存在している必要があります。太陽 同じことが革命にも当てはまります。これは、この放射が太陽系の外、さらには銀河系の外から来ているか、地球の動きがプローブを異なる方向に向けるにつれてノイズが変化する必要があることを示唆しています.実際、この放射は観測可能な宇宙の大部分を通過する必要があり、すべての方向で同じであるため、宇宙は少なくとも大規模では等方性である必要があります。今では、どの方向を見ても、ノイズは 1 万分の 1 しか変わらないことがわかっています。このようにして、ペンジアスとウィルソンは、フリードマンの最初の仮説を非常に正確に確認しました。
ほぼ同じ頃、近くのプリンストンで 2 人のアメリカ人物理学者、ロバートディックとジェームズ。ピープルズは電子レンジにも興味を持っていました。彼らはジョージを勉強しています。Gamow (アレクサンダー フリードマンの弟子) の洞察: 初期の宇宙は非常に密度が高く、白熱していたに違いありません。ディッケとピープルズは、光が宇宙の非常に遠い部分から来ていて、今やっと私たちに届いているので、初期の宇宙の白い熱をまだ見ることができると主張しています.しかし、宇宙の膨張によってこの光が赤方偏移したため、現在ではマイクロ波放射としてしか見られません。ディックとピープルズが放射線を見つけようとしていたとき、ペンジアスとウィルソンは彼らがしていることを聞いて、それを見つけたことに気づきました。この功績により、ペンジアスとウィルソンは 1978 年にノーベル賞を受賞しました (ガモウは言うまでもなく、ディックとピープルズは少し悲しそうに見えました)。
一見すると、宇宙がどの方向から見ても同じように見えるというすべての証拠は、宇宙における私たちの場所が少し特別であることを示唆しているように見えます.特に、他のすべての銀河が私たちから遠ざかっているのを見ると、私たちは宇宙の中心にいるに違いないと思われます.ただし、別の説明があります。宇宙は、他のどの銀河から見てもどの方向から見ても同じです。これがまさにフリードマンの 2 番目の仮説であることがわかっています。この仮説を信じたり反駁したりする科学的証拠はありません。宇宙が私たちだけに等方的に見え、宇宙の他の部分にはそうではないように見えるとしたら、それは非常に奇妙になるからです。フリードマン モデルでは、すべての銀河が互いに直接遠ざかります。この状況は、たくさんの点が描かれた風船が徐々に膨らんでいくのと非常によく似ています。風船が膨らむにつれて、任意の 2 つのスポット間の距離が増加しますが、1 つのスポットを膨張の中心と見なすことはできません。そして、ブロブが離れているほど、お互いから離れる速度が速くなります。同様に、フリードマンのモデルでは、任意の 2 つの銀河が互いに遠ざかる速度は、銀河間の距離に比例します。そのため、銀河の赤方偏移は私たちからの距離に比例するはずであると予測されました。これはまさにハッブルが発見したものです。彼のモデルの成功とハッブルの観測の予測にもかかわらず、アメリカの物理学者ハーヴェイ H.ロバートソンとイギリスの数学者アーサー。ウォーカーが同様のモデルを提案した後、フリードマンの作品は西側で一般的に知られるようになりました。
フリードマンが見つけたモデルは 1 つだけでしたが、実際には、彼の 2 つの基本的な仮定を満たすモデルが 3 つあります。最初のモデル (フリードマンによって発見されたモデル) では、宇宙は十分にゆっくりと膨張するため、銀河間の引力によって膨張が遅くなり、最終的には停止します。その後、銀河は互いに接近し始め、宇宙は収縮し始めました。
図 3.2 は、時間の経過に伴う 2 つの隣接する銀河の距離の変化を表します。最初は距離がゼロで、次に最大値まで増加し、その後ゼロまで減少します. 2 番目のタイプの解決策では、宇宙は非常に速く膨張するため、重力はそれを遅くすることはできますが、決して遅くすることはできません. .
図 3.3 は、このモデルの近隣の銀河の距離が時間とともにどのように変化するかを表します。ゼロ距離から始めて、銀河が一定の速度で互いに遠ざかり、最終的に、宇宙が崩壊を回避するのに十分な速さで膨張するという 3 番目のタイプの解決策があります。図 3 のように。図 4 は、銀河までの距離がゼロから始まり、永遠に増加することを示しています。しかし、銀河が離れていく速度がゼロになることはありませんが、その速度はますます遅くなり続けています。
フリードマンのモデルの最初のタイプの特異な特徴は、宇宙が空間的に無限ではなく、境界がないことです。重力が非常に強いため、空間は曲がって巻き戻され、地球の表面のようになります。人が地表のある方向に絶えず移動する場合、通過できない障害物に遭遇したり、端から落ちたりすることはありませんが、最終的には出発点に到達します。最初のタイプのフリードマン モデルの空間は、地球の表面が 2 次元であるのに対し 3 次元であることを除いて、これと非常によく似ています。時間の 4 番目の次元も範囲が限定されていますが、2 つの端点または境界、つまり始まりと終わりがある線のようなものです。後で見るように、一般相対性理論と量子力学の不確定性原理を組み合わせると、空間と時間の両方をエッジや境界なしで有限にすることができます。
宇宙を一周して、最終的に自分の出発点に戻ることができるという考えは、SF にとっては良いことですが、あまり意味がありません。宇宙は、一周する前にゼロスケールに崩壊したと指摘できるからです。宇宙が終わる前に元の場所に戻るには、光の波よりも速く移動する必要がありますが、それは許可されていません。
最初のタイプのフリードマン モデルでは、地球の表面のように、宇宙が膨張してから崩壊し、空間が曲がってから折りたたまれます。拡大し続けるモデルの 2 番目のクラスでは、空間は鞍面のように別の方法で湾曲しています。したがって、この場合、空間は無限です。最後に、ちょうど臨界速度で膨張するフリードマン モデルの 3 番目のクラスでは、空間はフラット (したがって無限) です。
しかし、私たちの宇宙を説明するためにどのようなフリードマンのモデルを使うことができるでしょうか?宇宙は最終的に膨張をやめて収縮し始めるのでしょうか、それとも永遠に膨張するのでしょうか?この質問に答えるには、現在の宇宙の膨張率と現在の平均密度を知る必要があります。密度が膨張率によって決定されるある臨界値よりも小さい場合、重力は膨張を止めるには弱すぎます; 密度がこの臨界値よりも大きい場合、重力は膨張を停止し、将来のある時点で宇宙を崩壊させます.
ドップラー効果を使用して、銀河が私たちから遠ざかる速度を測定することで、宇宙の現在の膨張率を決定できます。これは非常に正確に達成できます。しかし、銀河の距離を直接測定していないため、銀河の距離はあまりよくわかっていません。私たちが知っていることは、宇宙が 10 億年ごとに 5% から 10% 膨張するということだけです。しかし、現在の宇宙の平均密度の測定値はさらに不正確です。天の川銀河と他のすべての銀河の星の質量を合計すると、膨張率の推定値が最も低くても、総質量は膨張を止める臨界値の 1% 未満です。しかし、私たちの銀河や他の銀河には暗黒物質がたくさんあるはずで、直接見ることはできませんが、銀河の星の軌道に対する重力の影響から、そこにあるに違いないことはわかっています。さらに、ほとんどの銀河がクラスター化されていることがわかりました。同様に、銀河の運動への影響から、これらの銀河団の間にはより多くの暗黒物質があると推測できます。この暗黒物質をすべて足し合わせても、膨張を止めるのに必要な密度の 10 分の 1 しか得られません。しかし、宇宙全体にほぼ均一に分布している、まだ検出されていない他の形態の物質が存在する可能性を排除することはできません。これにより、宇宙の平均密度が膨張を止めるのに必要な臨界値に達します。そのため、宇宙が無限に膨張する可能性があることを示す証拠が現在あります。しかし、私たちが本当に知っているのは、100億年にわたって膨張しているので、たとえ宇宙が崩壊したとしても、少なくともそれ以上長くは不可能だということだけです.それまでは、過度の心配をする必要はありません。太陽系外に植民地化していなければ、人類は太陽の消滅によってとっくの昔に死んでいたでしょう！
すべてのフリードマン解には、過去のある時点 (約 100 億年から 200 億年前) で隣接する銀河間の距離がゼロであったという特性があります。ビッグバンと呼ばれる瞬間、宇宙の密度と時空の曲率は無限大でした。数学は無限の数を扱うことができないため、これは、一般相対性理論 (フリードマンの解が基づいている) が、理論自体が失敗する点が宇宙にあると予測していることを示しています。これは、数学で特異点として知られているものの例です。実際、私たちの科学理論はすべて、時空が滑らかでほぼ平坦であることに基づいて定式化されているため、時空の曲率が無限大であるビッグバン特異点では失敗します。これは、ビッグバンの前にイベントがあったとしても、ビッグバンで予測可能性が崩壊するため、その後に何が起こるかを決定するためにそれらを使用することは不可能であることを示唆しています.同様に、ビッグバンの後に何が起こったのかを知っているだけでは、それ以前に何が起こったのかを知ることはできません.私たちに関する限り、ビッグバンの前に起こった出来事は結果をもたらすことができないため、私たちの宇宙の科学モデルの一部を形成しません.したがって、それらをモデルから除外し、時間はビッグバンで始まったと主張する必要があります。
多くの人は、時間に始まりがあるという考えを嫌います。おそらく、それは神の介入の匂いがするからです。 （一方、カトリック教会はビッグバン モデルを採用し、1951 年にそれが聖書と一致すると公式に宣言しました。）非常に多くの人々が、ビッグバンがかつて存在したという結論を避けようとしています。いわゆる定常状態理論は、これまでで最も幅広い支持を得ています。これは、ナチスに占領された 2 人のオーストリア人、ヘルマンからの難民です。バンディとトーマス。グールドと、戦争中に彼らと一緒にレーダーの開発に携わったイギリス人のフレッド.1948 年にホイルによって共同提案されました。その考えは、銀河が互いに遠ざかるにつれて、新しい物質の継続的な生産から、それらの間の隙間に新しい銀河が絶えず形成されているということです.そのため、宇宙のどこでも、いつでも、宇宙はほぼ同じように見えます。定常状態理論では、物質を考慮に入れるために一般相対性理論を修正する必要があります。継続的に生成されますが、非常に低い速度 (1 立方キロメートルあたり約 1 個の粒子) であり、実験と矛盾しません。これは、第 1 章で説明した意味で優れた科学理論です。非常に単純であり、観察によって検証できる明確な予測を行います。予測の 1 つは、宇宙の任意の時間と場所で、一定の空間内に同じ数の銀河または同様の天体を見なければならないというものです。1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、Martin によって作成されました。ケンブリッジでは、Ryle 率いる天文学者のチームによって、宇宙からの電波源の人口調査が行われました (Ryle は戦争中にレーダーでバンディ ゴールドとホイルと協力しました)。このグループは、これらの電波源のほとんどが私たちの銀河の外にあり (それらの多くは実際に他の銀河に関連していると識別できます)、強い電波源よりも弱い電波源の方がはるかに多いことを指摘しています。彼らは、弱いソースをより遠いソースと解釈し、強いソースをより近いソースと解釈します。空間の単位体積あたりの共通のソースは、遠くにあるよりも近くにあるほど稀であることが判明しました。これは、私たちがどこよりもソースが少ない宇宙の広大な領域の中心にいることを示している可能性があります.別の説明は、電波が放射され始めた過去の時点で、現在よりも密度の高いソースが宇宙に存在していたというものです。どちらの説明も定常状態理論と矛盾します。さらに、1965 年に Penzias と Wilson がマイクロ波背景放射を発見したことで、宇宙は過去にはもっと密度が高かったに違いないことが指摘されました。したがって、定常状態理論は放棄されなければなりませんでした。
1963 年、2 人のソ連の科学者オグニ。リフシッツとアイザック。ハラニコフは、ビッグバンの存在、つまり時間の始まりの問題を回避するために、別の試みを行いました。彼らは、ビッグバンは単にフリードマンのモデルの特性であるかもしれないと示唆しました.フリードマンのモデルは結局のところ、実際の宇宙の近似値にすぎません.おそらく、現実の宇宙に大まかに似ているすべてのモデルの中で、フリードマンのモデルだけがビッグバン特異点を含んでいます。フリードマン モデルでは、すべての銀河が互いに直接遠ざかっているため、過去のある時点でそれらが同じ場所にあったに違いないことは驚くべきことではありません。ただし、実際の宇宙では、銀河は互いにまっすぐに移動するだけでなく、横方向の速度も多少あります。したがって、実際には、それらは必ずしも同じ場所にあるとは限らず、非常に接近しているだけです。おそらく、現在膨張している宇宙はビッグバン特異点の結果ではなく、初期の収縮段階の結果です; 宇宙が崩壊したとき、その中の粒子はすべて衝突することはできませんでしたが、互いに非常に接近して通り抜け、左に再結合し、その結果、現在の宇宙の膨張。
実際の宇宙がビッグバンから始まったかどうかをどうやって知ることができますか?Lifshitz と Khalanikov によって研究されたモデルは、Friedmann のモデルにほぼ似ていますが、実際の宇宙における銀河の不規則性と混沌とした速度が考慮されています。彼らは、銀河が常に互いに直接離れているとは限らないが、そのようなモデルはビッグバンから始まる可能性があると指摘している.しかし、彼らは、これは銀河が正しい方法で振る舞う特定の例外的なモデルでのみ発生すると主張しています.彼らは、ビッグバン特異点を持たないフリードマンのようなモデルは、ビッグバン特異点を持つモデルよりも無限に何倍もあると主張しているので、実際にはビッグバンはなかったという結論になるはずです。しかし、彼らは後に、銀河が特定の方法で動く必要のない、より広いフリードマンのような特異点モデルがあることに気付きました。そのため、1970 年に彼らは発表を撤回しました。
リフシッツとハラニコフの作品は貴重です。一般相対性理論が正しいとすれば、宇宙には特異点、つまりビッグバンがあった可能性があることを示しているからです。しかし、重要な問題には触れていません。一般相対性理論は、私たちの宇宙にはビッグバンまたは時間の始まりがあったに違いないと予測していますか?この疑問に対して、イギリスの数学者で物理学者のロジャー。ペンローズは 1965 年にまったく異なる方法で答えました。一般相対性理論における光錐体の振る舞いと、重力が常に引力であるという事実を利用して、彼は、崩壊する星が自身の重力によって領域に閉じ込められ、その表面が最終的に何もなくなることを示しました。そして、この領域の表面がゼロに収縮するため、その体積もゼロになります。星のすべての物質は体積ゼロの領域に圧縮されるため、物質の密度と時空の曲率は無限大になります。言い換えれば、ブラックホールと呼ばれる時空の領域内に含まれる特異点を取得します。
一見したところ、ペンローズの結果は恒星のみに適用され、宇宙全体の過去にビッグバン特異点があったかどうかについては何の疑問にも答えていません。しかし、ペンローズが定理を作成していた当時、私は大学院生で、博士論文に適用する問題を見つけようとしていました。2 年前、一般にルー ゲーリック病または運動ニューロン疾患として知られる ALS と診断され、余命 1、2 年と宣告されました。このような状況下では、博士号を取得する必要性はあまりないように思われました。そんなに長く生きるとは思っていませんでした。でも、2年経った今、私はそれほど悪くはありません。実際のところ、とても素敵な女の子のジェーンと一緒に、私にとって物事はかなり順調に進んでいました.ウォルダーは婚約しています。でも、結婚するには仕事が必要で、仕事を得るには博士号が必要です。
1965 年に、私はペンローズの定理を読んで、重力崩壊を受ける物体は最終的に特異点を形成しなければならないということを知りました。ペンローズの定理の時間の方向を逆にして崩壊が膨張になったとしても、宇宙が大規模なフリードマンのモデルに大まかに似ていると仮定すると、定理の条件は依然として保持されることにすぐに気付きました。ペンローズの定理は、崩壊は特異点で終わらなければならないと述べており、その時間反転の主張は、フリードマンのようなインフレーション モデルは特異点で始まらなければならないと述べています。技術的な理由から、ペンローズの定理では、宇宙が空間的に無限であるという条件が必要です。実際、これを使用して、宇宙が再崩壊を回避するのに十分な速さで膨張する場合にのみ特異点が存在することを示すことができます (これらのフリードマン モデルのみが空間的に無限であるため)。
次の数年間で、特異点が必ず発生することを証明する定理から、この条件やその他の技術条件を取り除く新しい数学的手法を開発しました。最終的な結果は、1970 年のペンローズと私による共同論文でした。その論文は、一般相対性理論が正しく、宇宙には私たちが観測するのと同じくらい多くの物質が含まれていると仮定すると、過去にビッグバン特異点があったに違いないことを示しました.私たちの仕事は、一部には科学的決定論に対する彼らの信念のためにソビエトから、一部には特異点の全体的な考えが好きではなく、それがその妥当性を台無しにしていると感じている人々から、多くの反対を受けてきました。アインシュタインの理論です。完璧です。しかし、人々は実際に数学的定理に反論することはできません。最終的に私たちの研究は非常に広く受け入れられるようになり、今ではほとんどの人が宇宙がビッグバン特異点で始まったと思い込んでいます。皮肉なことに、私は考えを変えて、実際には宇宙の始まりには特異点がなかったと他の物理学者に納得させようとしました. 後述するように、量子効果が考慮されている限り、特異点は消えます.
この章から、数千年かけて形成された宇宙に対する人々の見方が、半世紀足らずで変化したことがわかります。宇宙の膨張に関するハッブルの発見と、宇宙の広大さの中で私たちの惑星が取るに足らないものであることに気付いたことは、ほんの始まりに過ぎませんでした。隨著實驗和理論證據的積累，人們越來越清楚地認識到，宇宙在時間上必須有個開端。直到一九七○年，在愛因斯坦的廣義相對論的基礎上，這才被彭羅斯和我所證明。這個證明顯示，廣義相對論只是一個不完全的理論，它不能告訴我們宇宙是如何開始的。因為它預言，所有包括它自己在內的物理理論都在宇宙的開端失效。然而，廣義相對論宣稱自己只是一個部分理論，所以奇點定理真正所顯示的是，在極早期宇宙中有過一個時刻，那時宇宙是如此之小，以至於人們不能再不管二十世紀另一個偉大的部分理論量子力學的小尺度效應。二十世紀七十年代初期，我們被迫從對極其巨大範圍的理論研究轉到對極其微小範圍的理論研究。下面在我們進而努力將這兩個部分理論結合成一個單獨的量子引力論之前，首先描述量子力學這個理論。