ビッグバン宇宙国際研究センター

横山順一

＝四方上下＝往古来今
中国

時間と空間・森羅万象

高さ14000kmから写した地球
きく６号
気象衛星
ひまわり

半径6400km

14000km
スペースシャトルの高度は、わずか300km

太陽系のいろんな惑星

太陽系

星空

星座の星は全部恒星
天の川
あまのがわ
多数の星の集まり銀河（ぎんが）渡部剛氏撮影ご近所の銀河：アンドロメダ銀河 M31

アンドロメダ

２３０万光年のところにあるモノサシを変えると、いろんな構造が見える
1022m

階層

1012m

1020m

107m
1024m

1m

大きさ
スペースシャトル

月ロケット

太陽系

銀河

銀河団

超銀河団

宇宙の地平線

万有引力＝重力ガリレオの実験
すべての物体はその種類によらず、質量に比例した引力を及ぼしあう。
ガリレオはピサの斜塔から重さの異なる２種類の物体を落とし、同じ加速度で落ちることを確認した、といわれている。

ニュートン力学の誕生
ニュートン(1642-1727)は、リンゴを地球に向けて落とす力と月を地球の周りにとどめておく力は、おなじ万有引力だと悟った。

ニュートンのリンゴの木（東京大学理学部附属植物園）

ニュートンの宇宙 (1686)
時間：過去から未来へ向かって永劫不変に流れていくもの
空間：彼の力学理論に従って運動する物体の単なる入れ物
宇宙にどんな物質があろうと空間のあり方は変わらない

永劫不変な定常宇宙

アインシュタインの一般相対性理論
物質やエネルギーがあるとまわりの空間がゆがんでしまう。
空間の状態を中身の物質（質量）が決める。
もし質量を保ったまま太陽を３ｋｍにまで縮めるとブラックホールになってしまう。
もし質量を保ったまま地球を９mmにまで縮めるとブラックホールになってしまう。

アインシュタインの宇宙 (1915)
一般相対性理論：
中身の物質（エネルギー）が空間のあり方を決める。
定常宇宙を実現しようとしても、銀河同士の万有引力によって宇宙はつぶれてしまう！
空間自体に反発力（「宇宙項」）を持たせ、万有引力と釣り合わせて定常宇宙にした。

フリードマンの宇宙： 膨張宇宙
アインシュタインの方程式を、「宇宙項」など入れずに解き、膨張宇宙の解を発見した。
大きな初速度を与えれば、万有引力によって減速しながらも、膨張することが可能。

ロケットもはじめに大きな推力を与えれば地球の重力圏を脱出できるが、推力が足りなければ落下してしまう。

ナンセンス！
宇宙が変化するわけない

しかし、アメリカの天文学者
エドウィン・ハッブルの観測によると、、、 （１９２９）

ハッブルの法則の発見（１９２９）遠方の銀河はわれわれからの距離に比例した速度で遠ざかっている！
秒速500km
年
光
万
２千

１千万光年

秒速250km

３千
万光
年

ハッブルの法則(1929)

秒速750km遠くの銀河は私たちから遠ざかっている。
膨張
しかも、遠くの銀河ほど速く遠ざかっている。
宇宙膨張
秒速500km
秒速500km

２千万年
光光 年
万千２

秒速250km

１千万光年
１千万光年

秒速250km

３年
千万
光光年
万千
３

ハッブルの法則(1929)

秒速750km

大きく果て
宇宙に戻って私たちは宇宙の中心にいるのだろうか？

大きく果て
宇宙に戻ってたぶん違うだろう
地球ではなく、太陽が太陽系の中心だったし、、、

解釈２）フリードマンの膨張宇宙の解が検証された！

宇宙が一様に膨張していると考えると、どの点から見てもより遠方にある点は距離に比例したより大きな速度で遠ざかることがわかる。

時
間

現在
未来

過去

大きく
果て
宇宙に戻って宇宙は大きくなり続けている
昔の宇宙は小さかった昔の宇宙は小さくて熱かった

大きく果て
宇宙に戻って過去
現在

温度が上がると何もかもバラバラになってしまう
電子分子

原子

原子核

陽子と中性子大きく
果て
宇宙に戻って宇宙には始まりがあったわれわれに見える範囲の宇宙膨張率の観測：
１千万光年（1023 m）離れた銀河は、秒速250kmで遠ざかっている。

1千万光年
 130億年
250km/s
宇宙の年齢は130億年くらい。(正しくは137億年)
われわれに見える宇宙の大きさも137億光年くらい。
しかし、その向こうにも宇宙は広がっていると考えられる。

大きく果て
宇宙に戻って始まる前には何があったのだろうか？

膨張宇宙を過去にさかのぼる

38万年

ビッグバン
WMAP ビッグバン後1秒から3分の間に38万年後陽子と中性子からヘリウムができた（そのころの宇宙の温度：百億度
大きさ：現在の百億分の一
大きさは温度に反比例するから）

膨張
冷却

現在

ビッグバン

ビッグバン後1秒から3分の間に陽子ⓟと中性子ⓝからヘリウムができた（そのころの宇宙の温度：百億度 大きさ：現在の百億分の一）

ⓟⓝ
ⓟⓝ

2ⓟ＋2ⓝ
膨張
冷却

晴れ上がりの前は光子は電子と何度もぶつかって自由に前進できない。
＝雲の中にいるのと同様。

ⓔ

光

宇宙の晴れ上がり
38万歳の時の宇宙地図

ⓔ

温度4千度
これ以降光はまっすぐ進める
万歳の宇宙が直接見える

光（電磁波）で直接見ることができるのはこのときまで。
それ以前の宇宙は雲の中にあり、直接見えない。
この宇宙マイクロ波背景放射は宇宙の最も遠くから来る、宇宙初期の名残を伝える生きた化石です。

382.7度ヘリウム

最初の星形成銀河形成

現在137億年

宇宙の最も遠方から一様に飛来する電磁波ベル研究所のペンジアス・ウィルソンがアンテナのテスト
中偶然発見！(1965)

前景(星や銀河の光）©長谷川町子美術館

いろんな方向を観測したときに得られる宇宙背景放射の温度のズレは0.00003度程度に過ぎない。

宇宙は4桁の精度でのっぺらぼう

現在

から 過去

るぼのかさ
へ

大きさ（千分の一）1023ｍ

地平
晴れ上がり時の地平線
ビッグバンから時間を正の向きに測って求めた大きさ＝38光万年＝1021ｍ

線は時間に比例

現在見える範囲の宇宙

宇宙の晴れ上がり

ビッグバン

大きさにかやるゆらがなし減速
は宇宙

なる
く
き大

大きさ
1026ｍ
137億光年して広がる

時間

３８万光年（の千倍）
見込む角にして１度くらいこのスケールを遙かに超えたスケールで等方的に見える＝地平線問題（当時の地平線領域を多数集めてこないと現在の宇宙の大きさになれない、ということ。）

はじめに宇宙を急激に膨張させればよい
ネズミ算式の膨張
ゆるやかな膨張では後につながらなかった
現在見える宇宙

急激な膨張（インフレーション）をさせておけばヘリウム形成までに宇宙は十分大きく一様になっている

地平線問題とインフレーション宇宙論
晴れ上がり時の地平線：インフレーションなし
インフレーションあり
現在見える宇宙

インフレーション

大きさ

時間

ネズミは一定の速さで子供を産み続けるからネズミ算式に増殖する。

ゆるやかな膨張：万有引力を及ぼしあう、普通の物質が宇宙膨張を支配している場合重力（万有引力）によって宇宙膨張はだんだん遅くなる。
インフレーション：スピードアップする急激な宇宙膨張万有引力ではなく、むしろ反発力をもった新種のエネルギーが必要！
宇宙の位置エネルギー

位置エネルギー＝状態で決まるエネルギー
高いところにある岩は危ない＝位置エネルギー大きい同じ岩でも低いところにあるものは安全宇宙膨張の速さは エネルギー密度 に比例する。
普通の物質のエネルギー密度は宇宙膨張と共に薄まってしまう

位置エネルギーは状態だけで決まるので、宇宙が膨張したからといって密度が減るわけではない位置エネルギー密度の大きさは、宇宙の状態を表す変数「インフレーション素」の値によって、例えば図のようなモデルで与えられる。宇宙の状態変数の値が大きいと、位置エネルギーも大きい。宇宙の状態が変化しなければ、宇宙が膨張しても位置エネルギー密度は減らない！
位置エネルギー密度

摩擦のある坂道をころがる玉のよう摩擦が強いのでごくゆっくりとしか動かない
インフレーション
位置エネルギー大宇宙の状態変数の値

位置エネルギーが小さくなってくると、摩擦も弱くなるので、インフレーションの素は速く動けるようになり、底の周りを振動する。振動のエネルギーは摩擦熱によって失われ、宇宙は暖められ、ビッグバン宇宙のはじめのように熱くなる。
位置エネルギー密度

底の周りを振動すると熱が出る

ころがる

インフレーション
位置エネルギー大
インフレーションの素の値

摩擦熱このようなインフレーションが起こるのは、宇宙が生まれてから１０－４３秒から１０－３２秒くらいの頃。
そのころの宇宙の大きさは原子や陽子よりもはるかに小さかった。 ミクロの世界

光の粒子性

電子の波動性陽子や電子など、ミクロな粒子は位置と速度を同時に正確に指定することはできない。
ハイゼンベルクの不確定性原理

粒子性と波動性xt位置も速度もある幅を持ってふらついている。
＝ゆらぎ
宇宙の状態も場所ごとに同じようにゆらいでいる。

位置エネルギー密度

量子ゆらぎ
本来の運動の向き

経過

位置エネルギー小
=膨張率小

偶然できた
われわれの宇宙

位置エネルギー大=膨張率大宇宙の状態変数の値
体積大

ゆらぎの支配する世界

膨張速度小量子ゆらぎ小膨張速度大位置エネルギー

量子ゆらぎ大宇宙の状態変数の値
ゆらぎが小さくなると本来の運動の向きに決定論的に進化：
われわれの宇宙
この量子ゆらぎが銀河のたねになるゆらぎの支配する世界

ゆらぎの支配する世界では一定した方向に動くものはない。
時間を計る時計もない！

宇宙は時間の流れの中につくられたのではなく、時間とともにつくられた。
時間とともにゆらぎに支配され、インフレーションを続ける時間のない世界
ゆるやかに膨張し、ヘリウム形成
量子ゆらぎの痕跡
WMAP

38

密度ゆらぎが成長し銀河形成
137

ゆらぎに支配され、インフレーションを続ける時間のない世界

WMAP

38

われわれの宇宙の外にはインフレーションを永遠に続ける領域がある。
137

宇宙はゆらぎから生まれた
宇宙の外にはゆらぎの世界がある