■本資料のご利用にあたって（詳細は「利用条件」をご覧ください）
本資料には、著作権の制限に応じて次のようなマークを付しています。	  
本資料をご利用する際には、その定めるところに従ってください。
＊：著作権が第三者に帰属する著作物であり、利用にあたっては、この第三者より直接承諾を得る必要があります。	  

!

CC：著作権が第三者に帰属する第三者の著作物であるが、クリエイティブ・コモンズのライセンスのもとで利用できます。	  

!
!

：パブリックドメインであり、著作権の制限なく利用できます。	  

なし：上記のマークが付されていない場合は、著作権が東京大学及び東京大学の教員等に帰属します。
無償で、非営利的かつ教育的な目的に限って、次の形で利用することを許諾します。	  

!

Ⅰ 複製及び複製物の頒布、譲渡、貸与	  Ⅱ 上映	  Ⅲ インターネット配信等の公衆送信	  Ⅳ 翻訳、編集、その他の変更	  Ⅴ 本資料をもとに作成された二次的著作物についてのⅠからⅣ 	  !

ご利用にあたっては、次のどちらかのクレジットを明記してください。	  	  東京大学 Todai OCW 学術俯瞰講義	  	  	  	  Copyright 2013, 村山斉	  !

The University of Tokyo / Todai OCW The Global Focus on Knowledge Lecture Series	  	  	  	  Copyright 2013, Hitoshi Murayama

宇宙になぜ我々が存在するのか
学術俯瞰講義 2013年4月8日	

村山斉 カブリ数物連携宇宙研究機構	

UC Berkeley, Lawrence Berkeley Laboratory

by: NASA /＊Photo
ESA / S. Beckwith(STScI) / the HUDF
Team

by: NASA /＊Photo
ESA / S. Beckwith(STScI) / the HUDF
Team

宇宙はどうやって始まったのか	

宇宙に終わりはあるのか	

宇宙は何でできているのか	

宇宙はどういう仕組みなのか	

宇宙にどうして私達がいるのか	

人類誕生以来の疑問	

今や科学の力で迫れる

カブリ数物連携宇宙研究機構
Photo by Rolfe Kolbe, fromflickr CC BY-NC 2.0!
http://www.flickr.com/photos/46210293@N08/8287418426/

Kavli IPMU (Kavli Institute for the Physics
and Mathematics of the Universe)宇宙になぜ我々が存在するのか
学術俯瞰講義 2013年4月8日	

村山斉 カブリ数物連携宇宙研究機構	

UC Berkeley, Lawrence Berkeley Laboratory

by: NASA /＊Photo
ESA / S. Beckwith(STScI) / the HUDF
Team

主題科目／テーマ講義

2単位

1 、2 年 生 対 象

物質の神秘―その生い立ちから私たちの未来まで
コ ー ディネ ー タ：小 島 憲 道（ 教 養 学 部 ）ナ ビ ゲ ー タ：永 田 敬（ 教 養 学 部 ）村山 斉（国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構）

宇宙になぜ我々が存在するのか

第1回
第2回
第3回

4/8
4/15
4/22

宇宙誕生
物質誕生
銀河誕生
家 泰弘（物性研究所）

物質科学ことはじめ

第4回
第5回
第6回

5/7
5/13
5/20

現代社会と物質科学、原子・分子・物質の構造
物質の個性（物性）はどこから生まれるか
奇妙な量子の世界

現代社会と物質

5/27
第8回
6/3
第9回
6/10
第10回 6/17
第11回 6/24
第12回 7/1
第13回 7/8
第7回

金属の科学と材料としての応用

小関敏彦（工学部）

アクアマテリアルー持続性社会実現のための我々の挑戦

相田卓三（工学部）

半導体量子ドット−電子や光子を操るナノの世界

荒川泰彦（生産技術研究所）

放射線のリスクと防護の科学

飯本武志（環境安全本部）

チューインガムの物理土井正男（豊田理化学研究所）

光機能性材料の科学ー化学に基づく新医療技術の創出

浦野泰照（医学部）

物質科学が拓く新エネルギーとサステナビリティーの未来

瀬川浩司（先端科学技術研究センター）

21 KOMCEE
駒場 キャンパス レクチャーホール
月 曜日 2 時限（10:40-12:10）

h t t p : / / w w w . g f k . c . u - t o k y o . a c . j p /あらすじ• 宇宙の誕生	• 物質の誕生	• 銀河の誕生宇宙
身近に	起きること

そのわけ素粒子

by: NASA /＊Photo
ESA / S. Beckwith(STScI) / the HUDF
Team

昼と夜

＊Adapted from a photo by NASA/NSSDC

日頃当たり前の
昼と夜は宇宙規模の現象

季節

＊

村山斉『宇宙はなぜこんなにうまくできているのか』	

集英社インターナショナル、
2012年、p.15

東京（北半球）

シドニー（南半球）



"
Average#High#Average#High#Average#Low#

Average#Low#

35#35#31"
30#30#28"

27"

26#

25"
25#20"

16"

19#

15#

19#

9"

14"

17#

17#

18#

18#

12"

14"

9"

18#
16#

15#

14#
12#

10#
10"

9"

11#
9#

5#

23#

20#

15#
12"

8#

9#

5#
4"

!5#

22#

20#

18"

0#

23#
20#

22"

18"

25#

21"

24"

10#

25#

25#

23"

20#

26#

1"

1

4"

2"

2

0#

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

!5#

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12＊

村山斉『宇宙はなぜこんなにうまくできているのか』	

集英社インターナショナル、
2012年、p.15

これが本当なら赤道では年に夏が二回あるはず
Average#High#Average#Low#35#

30#
27#

27#

25#

25#

25#

25#
23#

22#

22#

26#
24#

24#

12#

12#

22#

20#

15#

10#
10#

11#

12#

13#

12#
10#

11#
9#

9#

9#

7

8

9 10 11 125#0#!5#

1

2

3

4

5

6

公転

ケプラー

＊Courtesy of NASA / JPL-Caltech＊From: Univese Today,	(posted on July 10, 2008)	

http://www.universetoday.com/15485/	

lets-study-law-kepler-would-be-so-proud/	

楕円軌道

一つの考え方で惑星全部を説明！

万有引力の法則

Illustration by Frits Ahlefeldt, 2011	

http://hikingartist.com/2011/10/06/
famous-apples-illustration/	

CC BY-NC-ND 3.0

Mm
F =G 2r＊村山斉『宇宙はなぜこんなにうまくできているのか』	

集英社インターナショナル、2012年、p.29

ニュートンのりんごの木の末裔

Photo by ZCU http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Newton’s_apple_tree_in_the_Botanical_Gardens,_the_University_of_Tokyo.jpg
CC BY-SA 3.0

東大小石川植物園

F=ma
質量	

＝物の動きを変えるのがどんなに大変か

Sir Isaac Newton by Sir Godfrey Kneller, Bt, 1702. NPG 2881.
© National Portrait Gallery, London!
http://www.npg.org.uk/collections/search/portrait/mw04660/
Sir-Isaac-Newton!
CC BY-NC-ND 3.0

Movie by Dr. Michael Gallis, Penn State Schuylkill 	

https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l2_p5.html
CC BY-SA 3.0

F＝ma

F =Mm
G 2R

公転速度[km/s]＊

村山斉『宇宙はなぜこんなにうまくできているのか』	

集英社インターナショナル、2012年、p.23

水星

1v/pr

金星
地球
火星
木星
土星 天王星 海王星 冥王星

太陽系

太陽からの距離[天文単位]＊Credit: NASA/JPL

地球は毎秒30キロの速さで回っている宇宙の誕生遠くを見ると過去が見える2008年9月30日	

380,000km	

=1.3光秒

かぐや探査機＊1.5億km	

=8.3光分＊Image from: http://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/
SolarCorona/eit023.html 	

Courtesy of SOHO (ESA & NASA)海王星・冥王星	

太陽系＊Image by NASA/JPL

ボイジャー
16光時間

はやぶさ=20光分＊ 出典：JAXA

4光時間＊出典：JAXA＊Credit: NASA/JPL一番近い星＊Image from: http://apod.nasa.gov/apod/ap020715.html	

© Australian Astronomical Observatory,
Photograph by David Malin

Proxima Centauri	

4.2光年

Photo by ESO / S.Guisard http://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Echinopsis_Atacamensis_and_the_Milky_Way.jpg	

CC BY 3.0

＊Image: Courtesy of NASA/JPL-Caltech

何千億個の星

28,000光年＊Image: Courtesy of NASA / JPL−
Caltech / R.Hurt (SSC-Caltech)何千億個の星000,82

Photo by Jschulman555, fromWikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:NGC̲4565̲and̲4562.jpg
CC BY 3.0

年
光1

年
光050

太陽系は毎秒220キロで	銀河の中を回る	

何が引っ張っているのか？

28,000光年＊Image: Courtesy of NASA / JPL−
Caltech / R.Hurt (SSC-Caltech)Photo by Jschulman555,
from Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:NGC̲4565̲and̲4562.jpg
CC BY 3.0

250万光年＊Credit: Bill Schoening,Vanessa Harvey/REU program/NOAO/AURA/NSF＊ Credit: Adam Block/NOAO/AURA/NSF＊Photo by Paul Mortfield and Dietmar

Kupke/Flynn Haase/NOAO/AURA/NSF銀河団＊Photo by NASA, Andrew
Fruchter and the ERO Team(STScI)

Abell 2218	

21億光年

＊Movie Credit: Miguel A. Aragón (Johns Hopkins University), Mark SubbaRao(Adler Planetarium), Alex Szalay (Johns Hopkins University),Yushu Yao (Lawrence
Berkeley National Laboratory, NERSC), and the SDSS-III Collaboration

観測に基づいた銀河の３次元地図の中を飛行

年

光億2020億光年

宇宙はほぼ均一	

ちょっとむら年

光億20＊Image Credit: M. Blanton andthe Sloan Digital Sky Survey

130億光年向こうの銀河？

by: NASA /＊Photo
ESA / S. Beckwith(STScI) / the HUDFTeam

＊Photo Credit: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

133億光年先の銀河＊Image Credit: NASA, ESA,W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), and the CLASH Team

暗黒時代	

136億光年先宇宙は広がっている
Q Q Q
cQ&CC BY-SA 2.5• 遠くの星や銀河は赤く見える	• 近づく救急車: 高い音	• 離れる救急車: 低い音	• 離れる星: 低い赤い光&c q Q q Q＊

Photo (ambulance) by Eyone,from Wikipedia http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Ambulance_NYC.jpg
Image Credit (earth): NASA
Goddard Space Flight Center

CC BY-SA 2.5＊

ドップラー効果• 高校で習う式は音の場合	

• アインシュタインの相対性理論による式は二つの式の幾何平均	

• 光速に比べて遅い(v/c<<1)と実は同じ：平均値の定理、テイラー展開

Vf =f
V +v
V v
0
f =fVrV v
0
f =fV +v
0

F (x) = F (0) + F (0)x + O(x )0f =f0v
f + ···
V2

広がる空間• アインシュタイン：宇宙は単なる入れ物ではない	

• 箱が曲がったりねじれたり広がったりする	

• 宇宙全体が大きくなる	• だんだん冷たくなる	!

• 昔はずっと小さく、熱い	

ビッグバン！

E = h⌫ =hc

Penzias と Wilson＊

Photo source: Emilio
Segrè Visual Archives,
Physics Today Collection

ビッグバンの残り火＊＊
Images from: COBE Slide Set (Slide 2, 29, 36)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/slide_captions.cfm＊

＊Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 2)	

http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/slide_captions.cfm

Photo Credit:
Lawrence Berkeley
National Lab. (Photoby Roy Kaltschmidt)	

CC BY-NC-ND 2.0＊Photo Credit: NASA

遠くを見ると	まだビッグバンが見える＊

Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 28)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/slide_captions.cfm

137億光年先	=137億年前＊Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 2)	

http://lambda.gsfc.nasa.gov/
product/cobe/slide_captions.cfm

Photo Credit:
Lawrence Berkeley
National Lab. (Photoby Roy Kaltschmidt)	

CC BY-NC-ND 2.0＊Photo Credit: NASA

遠くを見ると	まだビッグバンが見える＊

Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 28)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/
product/cobe/slide_captions.cfm

137億光年先	=137億年前

COBE
Credit: NASA /＊ImageCOBE Science Team＊

Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 28)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/
product/cobe/slide_captions.cfm

COBE
Credit: NASA /＊ImageCOBE Science Team

WMAP

＊

Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 28)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/
product/cobe/slide_captions.cfm

Image Credit:＊NASA/ WMAP

NASA/JPL-Caltech
Team＊Image Credit:ScienceImage Credit:＊NASA/ WMAP
Science Team

COBECredit: NASA /＊ImageCOBE Science TeamWMAP

＊Image from: 	

COBE Slide Set (Slide 28)	http://lambda.gsfc.nasa.gov/
product/cobe/slide_captions.cfm

Image Credit:＊NASA/ WMAP

NASA/JPL-Caltech
Team＊Image Credit:Science

Image Credit:＊NASA/ WMAP
Science Team

＊Credit: ESA/＊ImageNASA/JPL-Caltech

PlanckImage Credit: ESA
and the Planck
Collaboration

2013.3.21!
!
著作権の都合により、ここに挿入されていた画像を削除しました!
「宇宙誕生は１３８億年前＝星や銀河の物質は４．９％−欧州衛星が精密観測」!
時事ドットコム（ 2013/03/23-18:51）
http://www.jiji.com/jc/zc?
k=201303/2013032300275!

138億光年先の「壁」＊
Image Credit: ESA
and the Planck
Collaboration

これ以上向こうは決して	「見る」ことができない

Image Credit:＊NASA/ WMAPScience Teamビッグバン

38万年

数億年

138億年
＊画像提供：杉山直 氏（名古屋大学）

億年

＊

137

年

38万

残り火

宇宙の膨張宇宙膨張投げ上げた	ボールと同じ＊Image Credit: NASA Goddard Space Flight Center

減速するはず宇宙膨張の方程式
F = maF =Mm
G 2
R2da = 2R
dtd2
R=dt2

M
G 2
RRM

• 物質の量が多いと膨張が一度止まって宇宙は縮みだす。
（ビッグクランチ）	

• 物質の量が少ないと膨張はだんだんゆっくりになりな
がら永遠に続く

宇宙の大きさ三つの運命d2
M
R=Gdt2R2t
⇠
2/
1Rt
R⇠

時間

宇宙に終わりはあるのか？？

あらすじ✓ 宇宙の誕生	•• 物質の誕生	• 銀河の誕生