るように、目に見えない広大な領域にまで及んでいます。

宇宙最古の光の痕跡

色の仕組み ここで、可視光線について見てみましょう。この世界がさまざま

私たちに観測できる、最古の光の名残りが「宇宙マイクロ波背景放射」（図5）。約138億な色に溢れているのは、
人間の目の仕組みによるもの。
あなたの網膜には
「錐体
（すいた

年前、
宇宙の始まりからい：色のセンサー）」と「悍体（かんたい：明暗のセンサー）」の2種類の細胞があり、その中ほど離れた相手に届きます。
相手の星は、返信を送ってくれるかもしれ現在 1

信号が相手の星に届く頃には、
私たちの太宇宙の事象の地平面

図５
宇宙マイクロ波背景放射を
捉えた画像

地球
から
放た
れた
光の
信号

跡
軌
の
星
の
手
相

ついて多くのことを教えてくれます。

でしょう。

様に描いてみましょう。
するとこのような円錐形になの球体で表現しました。
これを1つの は、
実は球を表していると す。この逆円錐
絵にまとめてみましょう。

地球からの距離200億光年

100億光年

現在

時間
約138億年10億年前

光は、この宇宙でいつ、
どのように

光と深淵
̶「宇宙の事象の地平面」

生まれ、どんな経路で私たちの目に届
の目は、
宇宙の
「いつ、
どの部分を」
見ることが

光の
道筋

できるのか。
それを表したのがこのグラフです。
縦

600nm

20億年前

光を使えば、
どこまでも彼方が見えるのでしょうか？それは軸は、ビッグバン以来、現在を経て、
未来へと伸びる時

地球の存在する地点には決して届きません。
このお椀

形の表面が
「今現在、
私たちに見える全宇宙」
を表しています。

500nm型より内側のみが、人間が光によって関われる限界

ポスター各所に散りばめられた文章も参考に、
光の仕組みや秘密

Bさん
秒速約15万km

光
の
動
き

光
の
動
き

地球の位置
線２

Bさんの時計で1秒
Bさんの時計で約0.87秒

地球から光速で遠ざかる天体ています。地球における光速を表す、
線2の傾きと比べて

線3

みましょう。
すると線1の光は、
いわば「約2倍の速さで」地
球から遠ざかっていることが見て取れます。

Aさんの時計で１秒後の時のBさん
Bさんの時計は約0.87秒しか経っていない

線3の傾きは、地球に向かって（左方向に）
進んでい線2

Bさんの時計で１秒後の時のAさん
Aさんの時計は約0.87秒しか経っていない

線1

る光の速度を表しています。
しかし、宇宙の膨張によって光円錐が歪んでいるため、傾きが垂直になっています。
すなわち、光は近づきも遠ざかりもせず、
地球を基点

モノサシの長さが互いに短くなる関係も、これと同様、グラフに着目すると導き出せます。
ぜひ、ご自身で考えてみてください。

としたときの速度は０となっていることが見て取れます。線1も、
線3も、「その空間においては」
あくまで光速であることに注意してください。
特殊相対性理論は、破られていないのです。

特殊相対性理論から、一般相対性理論へ
特殊相対性理論においては、不変のモノサシだった光円錐。
しかし、
このポスターのように宇宙を俯瞰して描くと、そのモノサシさえもが変化することがわかります。
このような現象は、
やはりアイン

にしてグラフを描く必要がでてきます。
これが、左に紹介した「光円錐」。
ご覧のようにこのポスターは、
光円錐をグリッドにしシュタインが築いた「一般相対性理論」
によって説明されています。私たちが観測によって関与て描かれています。私たちと、
光と、
この宇宙との関係が、一つの大きなグラフになっているのです。

できる存在のうち、もっとも遠くにあるのは「宇宙マイクロ波背景放射」（図5）が放たれた場

光円錐さえ歪める、
宇宙の膨張 どの観測者にとっても、光の速さは不変。これだけで特殊相対性理論で考える この不思議な現象を、ア

地球の位置

ここで、
線1の傾きは、地球から遠ざかる光の速度を表し

地球の位置ありません。
しかし光速に近い観測者を考えると、時空の歪みが無視できなくなってきます。
そのため、不変の光をモノサシ

Bさんから見た光の速さは？

図10 光円錐の歪みは、
お互いさま

線１

図11 地球を基点に光速を考える

光円錐は、光のモノサシ 日常生活を送る限りでは「時間や空間は共通」と考えて差し支え光
秒速約30万km

地球から光速で遠ざかる天体線３

所にある物質ですが、その物質は、光速の約60倍もの速度で、本ポスターの中心軸から遠ざかっていたことになるのです。

も驚きですが、この宇宙には「光の速さが、光速を超える」ように思われる現象も存在します。
言葉の矛盾のようですが、一体
どういうことでしょうか？

インシュタインの「特殊相対性理論」
を使って考えてみましょう。
この理論によれば、それぞれの観測者は、光の速さが不変になるような、
異なる
「時間」
と
「空間」のモノサシを持つとされます（時間と空間は相伴って変化するため、「時空」という1つの概念で考えます）
。
さて、
常識

地球から遠い場所
私たちの宇宙は、誕生以来、膨張し続けています。
より遠くの宇宙空間は、より速く地球から遠ざかりの光円錐ほど大きくます（図8）。
ポスターではこの膨張は、光円錐のかたちの変化として描き出されています。2つの光円錐を歪みます。

抜き出して、少し詳しく見てみましょう。

的には、時間や空間は、人によって違ったりはしませんが…？具体的に、図で見てみましょう。

図9の左側は、現在の地球がある空間に描いた光円錐。右側は、地球より約150億光年彼方の天

地球からの距離200億光年

300億光年

ここに描かれているのは、
宇宙誕生以来、
今現在までの光の旅路です。
縦軸は約138億年、横軸の果ては不明。
現時点
で科学が描きうる、
最大スケールの絵といえるかもしれません。 グラフを縦横に交差する網状の模様は、光の道筋を描いたもの。その軌跡は、遥かな過去の宇宙

初版発行：2015年4月1日
著作および販売元：(公財)科学技術広報財団
企画：自然科学研究機構 国立天文台
制作：「光図」
制作委員会(縣秀彦、
小阪淳、
片桐暁、
高梨直紘)
監修：浅井祥仁(東京大学)
協力：天文学普及プロジェクト「天プラ」、
梶谷真司(東京大学)、
桑子研（共立女子中学高等学校）

光円錐の変形が間接的に描き出すのは、「場」の存在。
光を絵筆に、
時空をキャンバスに、見える世界と見えない世界が浮かび上がっています。

太陽の誕生

50億年前

400nm

地球からの距離100億光年40億年前には、果てがあるのです。

この
「光図」
は、
一般相対性理論等から導かれる宇宙モデル（フリードマン方程式）に基づいた計算結果より描画されたものです。

地球からの距離から発しています。
光は直進する性質を持っていますが、宇宙の膨張が及ぼす影響によって大きく曲げられています。
光円錐は、地球周辺だけでなく、任意の観測点を設定すれば、宇宙のどこにでも描けます。
それらの

です。
宇宙に果てはありませんが、観測できる時空を、さまざまな角度から味わってみてください。

Aさん

図9 地球の光円錐と、彼方の光円錐図8 宇宙の膨張は「ブドウパン」？
パン種の特定のブドウ粒にご注目。
焼いて膨らむと、
そのブドウ粒から、他のすべてのブドウ粒が遠ざかります。
遠くのブドウ粒ほど、より大きく離れていきます。
宇宙の膨張は、このようにイメージできます。

現在の地球

30億年前

不可能です。
「宇宙の事象の地平面」
より外側の光は、

間軸。
横軸は、光年を単位とした空間軸です。
中央のしずく

ビッグバン

図６

光を描く

1fm
地球からの距離

いているのでしょうか。
逆にいえば、
私たち

けば、歪みはなくなります。
そして逆に、
地
球の光円錐が歪んでみえます
（図10）
。

1YHz

光図の読み方空間の広がり体が存在する空間を基点に光円錐を描

AさんとBさんそれぞれが異なる時間軸と空間軸を持っています。
Aさんを基準にしても、Bさんを基準にBさんの時空しても、光の速度を表（1秒 × 30万km）
す「線の傾き」は変わ
Bさんの空間軸 りません。
これは、
誰
Aさ
から見ても光の速度
ん
（1
秒 の時空
が不変であることを×30万
Aさ
km 表しています。
ん

付けられました。

いるものとします）。
これを「光速度不変の法則」といいます。

様子を表しています。

700nm

現在の
地球

円錐は大きく歪んでみえますが、この天Bさんの時計で１秒後のBさん多の観測的事実によって裏（ただしこの時、観測者は一定の速度で直線運動をして今から約50億年後、私たちに光を届けてくれていた
太陽は、終わりを
迎えます。

1pm

300億光年

しずく形

ところがBさんが測っても、光は依然として秒速約30)。
万kmです。光の速さは、観測者によらず不変なのです

ポスター中央には、光がこの宇宙に存在するようになって以来、どのような道筋をたどってきたのか、
これからどのような道筋をたどっていくのかの、
見取り図が描かれています。
「現在の地球」
を中心に、光円錐が描かれています。

1ZHz

1nm

1μm

1ｍm

1m

1EHz

地球からの距離

空間の広がり道のりですから、
この表

で描く

1km

1PHz

1THz

的な世界像は、
その後、
幾

面だけが、
「今現在、
私たち

なります。

真空中を光速で広がっていくュタインが描き出した独創

日常的な感覚に従えば、秒速約15万kmのはず(図６に見えている世界」ということに線ࡳ␟फ़থঐ␠

サブミリ波

1GHz

X線

波長

真空紫外線

1MHz

ミリ波

紫外線
可視光線

超短波 極超短波 センチ波

赤外線

周波数

短波

近赤外線

遠赤外線

中波

地球に近づく光のモノサシがある。
アインシ

いきます。
さて、
光速の半分のスピードで光と同方向

太陽の終焉

電波

長波

の表面が、現在か者の数だけ異なる「時空」に進むBさんが、その光の速さを測ると…？私たちのります。
この表面が光の

携帯電話
電子レンジ

マイクロ波
極長波

いうことになります。

ら未来にかけて、光が©ESA andthe Planck Collaboration

図1 電磁波と、テレビの地上波
その中の可視光線 デジタル放送

過去

在から未来にかけて大きくなる、
4つ 円で表現されているもの 円錐形になりま変の「光速」
を基準に、
観測

を指すと、
放たれた光は秒速約30万kmで進んで過去から現在に届く光も、
同

現します。
ここでは、
放たれた光 表している球体を、円に置 にあるはずの円もが次第に広がっていく様子を、
現 き換えました。
逆にいうと、 すべて描くと、
逆

の時 計で
計で １秒
約0
.87
秒

って見えています
（図７）
。不

に、
2人の観測者がいます。Aさんがレーザーで宙過去

まず、光が広がっていく様子を表 後のステップのため、光を 4枚の円だけでなく、間この境界が「宇宙の事象の地平面」
です。
もっとも、
陽はすでに寿命を終えていること

こうした過去からのシグナルは、
宇宙の歴史に

光速度不変の法則 ここ光円錐
2

先方からの光が、
いずれは届く場所と、
決して届かない場所。

相手
の星

現在

軸
時間
んの
Aさ

長が伸び、
現在は電波となった「光の痕跡」。

光円錐

現在

現在

3

ません。
宇宙の膨張の加速が大きすぎて、光が近づけないためです。

るのは、宇宙の膨張にともなってこの光の波

図４ さまざまな波長の電磁波で見た天の川光円錐しょう。
光はこのオレンジの軌跡をたどり、
約120億年後に、180億光年

しかしその信号は、
未来永劫、
地球の存在する地点には届きません。

によって放たれた光です。私たちが観測す未来

光が広がっていく

地球の私たちから、
遥か彼方の星へ、
あいさつの信号を光で届けてみま

宙の晴れ上がり」と呼ばれる現象。
違った目の仕組みを持つ生物には、違った色の世界が見えていると考えられます。
３）

4

未来

未来

未来

）
時空 km
んの 30万
Bさ ×
秒
（1
軸
空間
んの
Bさ

Bさんの時間軸

わずか約38万年後に、「宇の視物質が光を受け取ることで、目に見えるすべての色と明暗が生まれるのです
（図２、

赤、
緑、
青の三色の混合によって、目に見えるすべての色がつくり出されます。

決して返信の届かないメッセージ

相手からの返信のです（ベテルギウスは、
今はもうないかもしれません）。

Bさんの時間軸間をかけて届きます。私たちが受け取るのは「640年前にその天体を出た」光な

電磁波の種類は、
波の長さ
（波長）
、
あるいは波の数（周波数）によって決まります（波長と周波数は、反比例の関係になっています）。
可視光線を含む電磁波の全体は、
図1でわか

図を
「光円錐」
（こうえんすい）といいます。
その描き方を、順を追って見てみましょう。

図３ 光の三原色

縮んでいるように見えます。B

体を中心とした光円錐です。右側の光Bさんを基準にしたときのAさんと光の動き

軸
時間
んの
Aさ

に届くのか」
さらには「私たちが今現在、
世界のどこを見ることができるのか」がわかります。
このようなます。例えば640光年さきにあるオリオン座のベテルギウスの光は、640年の時

磁波には、電波や赤外線、
私たちに馴染み深いものも多数あります
（図1）
。
X線など、

Aさんから見たときには、Bさんが持っていたモノサシはAさんの時間軸

光は、真空中では常に一定の速度で進みます。
その道のりを描けば、「私たちが放った光が、
いつどこは、あくまで有限。
そのため遠くからの光ほど、届くまでに時間がかかることになり

Aさんを基準にしたときのBさんと光の動きもし、秒速約30万kmの光を、 さんから見たとき、AさんがAさんの時空その半分の速度で追いかけ 持っていたモノサシは縮んで（1秒 × 30万km）
Aさんの空間軸たら。
光は、秒速約15万kmに いるように見えます。Aさんから見ると、Bさんの時計の進
Aさんの時計で１秒後のＡさん見えるのでは？ところが光は、 み方が遅く見え、Bさんから）の空
間軸
Bさんの時計で１秒後のＢさん
Aさんにとって１秒後の光相変わらず秒速約30万km 見ると、Aさんの時計の進み
Bさんにとって１秒後の光方が遅く見えます。
お互いにです。
その秘密は？ようこそ、 空間を測るモノサシが歪ん
時間の進み方が互いにゆっくりになっている
で見え、時間の進み方が違 A Aさんの相対性理論の世界へ。
Aさんの時計で１秒後のAさん
さん時

光円錐 ̶ 光の旅を描いたグラフ

しかしその速さ
299,792,458メートル。
1秒間に地球を7周半するほどの速さです。

ばれる波の一種で、目で感じ取ることができるものは、
特に「可視光線」と呼ばれます。
電

互いに歪む 図7 観測者の時空が互いに歪む様子を表現した「ミンコフスキー時空図」
時 間と空間Bさんの時間軸

図2 人間の網膜
眼球後部の内壁に並ぶ「錐体」「悍体」の視細胞
で、外界の光を捉えます。

「遠くを見る」「昔を見る」 光の速さは、秒速＝

光とは 私たちが目で受け取る、明るさや色の源が光です。光は「電磁波」と呼光 で 見 、光 で 考 え る 。光 を 見 、光 を 考 え る 。縦 横 に 編 み 上 げ る と 、私 た ち の 世 界 が 現 れ る 。

赤錐体
悍体
緑錐体
悍体
青錐体

光で考える

光で見る

あなたは今、
このポスターを、光を通じて見ています。
そ 情報を受け取る 可視光線以外の電磁波も、私たちに有益の光について探求していくと、驚くべき宇宙のルールや、 な情報を与えてくれます。例えば、レントゲン撮影に用いられるX線は、肉眼ではミクロの世界が見えてきます。
光とはなにか？その不思 捉えられない人体内部の様子を映し出します。また天体の観測は、さまざまな波
長の電磁波を捉えることで行われています
（図4）
。
議を、
読み解く旅に出かけましょう。

波と膨張「思考芸術」
̶ 光と宇宙の今から約 4 6 億年前、私たちの太 陽が生まれたと考えられています。

60億年前

光と宇宙の関係をイメージするために、一つの思考実験な以前
光と始原 ̶「宇宙の晴れ上がり」

らぬ「思考芸術」を考えてみましょう。
「宇宙の晴れ上がり」

110億年前弱一本のスリットを用意し

スクリーン

ます
（図12）
。
今度は、
平行な2つのスリットを通します。
するとスクリーンには「干強思えますが、
そう考えなければ、これらの実験結果を説明できません。
ミクロの世界で 図18
は、「粒か波か、どちらかに決まっている」という私たちの常識を、覆すような事態がでは、光電効果が起きない場合を見てみましょう（右・光を粒子と考えた場合（光量子仮説）起こっているようです。

光の正体 光とは、素粒子の一種です。物質を細かく分解し図）。
この場合は、光が強い（＝粒の数が多い）
弱い（＝粒
周波数が低く（波の数が少なく）、の数が少ない）に関わらず、一粒の光が電子に与えるエネ
光が強い
ルギーが足りないため、
決して電子が飛び出してこないの（粒の数が多い）ていくと、分子は原子に、原子は原子核と電子に、原子核は陽子と中性子に分解され、最後にはそれ以上分解できない素粒子という存在に行きつきます。
電子やクォークは、素粒子の一種です。
素粒子にはさまざまな種類があり、この世のありとあらゆる

です。

光
い
強

周波数を変えずに光を強く（＝粒を多く）すれば、
その※1. この時、分だけ多くの電子が飛び出すでしょう。
ただし、一粒の光の持つ一粒の光でも、電子一つに与えるエネルギー（周波数）が大きければ、電子が飛び出してきます。

干渉すると、
波の山どうしはより高い山を、
波の谷どうしはより低い谷をつくり、波の山と波の谷
は打ち消し合うのです。
光にこの性
19世紀初頭、質があることを証明したトーマス・ヤングの実験によ

ただし光一粒ずつの持つエネルギーが変わるため、飛び出す電が伝えています（図18）。
光の正体は、その中で「電磁力」を伝える素粒子で、「光子」と呼ばれます。

子が帯びる、
運動エネルギーが変わってきます。

図19 不確定性原理に変えて、再び二重スリット実験をしてみましょう。放たれる光は一粒ですから、
2つのスリットのどちらか一方を通り抜けてスクリーンに到着するはずです。到着を確認した後で、次の光の粒を放ちます。

光源

子仮説」
でした。
物質に光を当てると、電子が表面から飛び

周波数だけを変えると？飛び出してくる電子の数は変わりません。

の力
（「重力」
「電磁力」
「弱い力」
「強い力」）
も、素粒子

そう考えると、
どうしても説明のつかないことがあります。
ヤングの実験（図13）の「光」を「一粒の光」

図13

この「光＝波」説を覆したのが、アインシュタインの「光量動エネルギーを持つことになります。
では、特定の光の強さのまま、

「光は粒」
なのに
「光は波」
？ では、光は粒子なのでしょうか？

スクリーン

って、
「光は波である」と考えられるようになりました（図14）。

粒の数が多くても、
電子一つずつに与えるエネルギー（周
波数）が足りなければ、
電子
は飛び出してきません。

がこの実験を繰り返すと、独立に放たれたはずの光が、干渉縞をつくってしまうのです（図17）。

（＝波の数）以下の場合には、
なぜかこの現象は起こりません。周波数を変えずにその光をいくら強くしても、電子は飛び出してこないのです。

図14
波の性質

光電効果が起きている場合にも、不可解な現象が見られま
+

+

」など、
光を波と考えると説明不能な事態が起こる

=

光源

件によって
「数だけが変わる」「勢いだけが変わる=す。
飛び出してくる電子は「数」と「勢い」を測ることができますが、条

スリット

波が強めあう一粒ずつなら粒子は干渉しないはずが…

のです。
アインシュタインはこの謎を、
「光＝粒」
と考え
波が打ち消しあう

光源

光子「電磁力」を伝える素粒子原子核

ヘリウム原子電子雲

弱い力

放射性崩壊の一例、
（ベータ）
崩壊。
β

中性子が陽子になり、電子と反電子ニュートリノを放出します。
電子
陽子
中性子

素粒子の位置と運動量は、
同は、位置を絞り込めば運動量
素粒子の運動量があいまいになり、運動量を絞
素粒子の位置り込めば位置があいまいにな

図 21
素粒子は
と、
空間的な広がりを持つ
『波』
の性質を、
併せ持っている」と考えました。
あまりに常識外な結論に
区別が
ない
スクリーン
スクリーン
図16
図17
これは一体、
どういうことなのでしょうか？科学者たちは、「光は、空間的な広がりを持たない『粒』

出してきます。
これを光電効果と呼びますが、光がある周波数太陽

電磁気力

地球が太陽を周り、私たちが地球に張り付いているのは、「重力」の 地球働きによるもの。その力を担うと想定される素粒子「重力子」は、いまだ発見されていません。

時に定めることができません。
素粒子の運動量
素粒子のような、
量子力学の対素粒子の位置象となる小さな粒子の世界でこうすれば光の粒は干渉を起こしませんから、
スクリーンには縞ができないはずです
（図16）
。
ところ

スリット

この世界に存在する「4つの力」の例

重力

物質の元となっています。
また、この世界に存在するすべてエネルギーは等しいため、飛び出してくる電子は、
いずれも同じ運。
それぞれのスリットから出た波どうしが13）

ることできれいに説明したのでした
（図15）
。

ビッグバン

ある光が、
電子を飛び出させていると解釈できます
（※1）
。

スリット

光は粒子か？̶光量子仮説

138億年前は、
光電効果が起きる周波数の光を当てた場合です。
粒で

光源

渉縞」
と呼ばれる模様ができます（図130億年前もし光が粒子ならば、光の強さ＝粒の数になります。
左図

光の強さによらず、
電子は飛び出してきません。

周波数が高く（波の数が多く）、
光が弱い（粒の数が少ない）

図12

120億年前「光＝粒」
説で、すべてが説ける

電子

光が弱いにも関わらず、電子が飛び出してきます。

に立ててみましょう。
スリットを通を起こしながらスクリーン上に広がり

い
弱

電子

て、光源とスクリーンとの間り抜けた光は、
「回折」
という現象

像し、
表現し、
共有できるのでしょうか？最先端の科学は私たちに、日常的感覚からジャンプするよう、呼びかけているかのようです。

拡張された
「光円錐」
なのです。

かける」
宇宙規模の作品です。

光を考える

え、
概念を共有できるからでしょう。
では、その向こう側の世界は、どのように想響を及ぼせる、
未来の世界）
。
これは、
宇宙規模に

100億年前い描くことはできる、「時間軸に虹をのではないかと考えられています。
光の誕生に迫ることは、宇宙の始原に迫ることなのです。

物質的な世界がイメージしやすいのは、
私たちがそれを直接的・経験的に知覚で捉「現在の地球」
より下に存在するしずく形（私たちに見える、
過去の世界）。
上に伸びていく逆円錐（私たちが影ることでしょう。
実現はできませんが、思

さらに遡れば、光が伝える電磁気力を含む「4つの力」が1つとなっていた、
そんな宇宙に行きつくにおける姿を、図として描くことは困難です。

にはより小さく、
従って、見える世界も小さかったはずです。

90億年前

在には、
この宇宙全体が赤い光に覆われれたわずかな粒子が、現在の全物質の起源となっています。

極微の世界にまで光の正体を追っていくと、常識を超えた世界が開けてきます。主役
図15 光電効果の謎を説明した、アインシュタインの「光量子仮説」
は、光子を始めとした素粒子たち。
「光＝波」
説では、
謎は解けない・光を波と考えた場合
光が波ならば、その振幅の大きさ（波の上下幅）に応じ周波数が低いしかし、
その振る舞いを演出しているの 周波数が高いて、光も強くなるはず。
ですから、
仮に周波数が低くても（＝（波の数が多い）と…
（波の数が少ない）と…
波の数が少なくても）、光を強くしていけば、
いずれは電子をは「場」という 性質 です。
光光い光
飛び出させるはずです（…が、実際にはそうなりません）。
い

光は波か？̶ヤングの実験

ように色合いを変化させ、約138億年後の現と反粒子は、
互いに衝突して消滅
（対消滅）
する際に、
膨大な光子を宇宙に加えました。
この時に消滅を逃場そのものではなく、光を通じて浮かび上がる、場の間接的な表現です。
その光もまた、
ミクロな視点

け取る光のすべては、この表面に並んでいます。
しずく形は、
過去

光線の領域に入ります。
紫、
青、
緑…と、
光は虹の

それより前の、誕生直後の超高温・高密度の宇宙には、光子および大量の「粒子」「反粒子」
がありました。
粒子「場」の理論は現代科学の結晶ですが、理解が難しい概念でもあります。
ここにグラフとして描かれているのも、が、私たちに認識できる全世界です。
地球の私たちが全宇宙から受80億年前

よって次第に引き伸ばされ、約80億年後には、
可視の晴れ上がり」と呼びます。

光図の向こう側 ̶「場」
を想像する

ビッグバンから地球にかけて描かれた、大きなしずく形。
この表面だけル）の電磁波を放ちます。
その波長は宇宙の膨張に張によって約3,000℃まで低下した時、電子は原子核と結合して安定し、初めて宇宙は見通せるようになりました。
これを
「宇宙

光を見る

地球の全視界 ̶ 宇宙規模の光円錐

70億年前

直後にタイムスリップし、宇宙全体に700pm（ピコメート

誕生から約38万年間、宇宙は文字通り「霧の中」でした。
飛び交う電子が、光子の直進を妨げていたためです。
宇宙の温度が膨

反電子
ニュートリノ

陽子
中性子

グルーオン

「強い力」を伝える素粒子

ウィークボソン「弱い力」を伝える素粒子の一つ

アップクォーク
ダウンクォーク

図 20 真空のゆらぎ
素粒子
反粒子

原子核の周りを囲む電子の存在

強い力

対消滅

対生成

る、
そんな性質があるからです。

全くなにもない真空では、なにも起こらないと考えられてきましたがあります。
だとしたら、
どうして宇宙が「膨張する」といえるのでしょうか？実際、
この宇宙
を満たし、
膨張している「物質」があるわけではありません。銀河や星々を互いに遠ざけ

素粒子は、言葉から連想されるような小さなボール状のものではなく、
実に奇妙な振る舞いをします。
例えば、
位置と運動量を、同時に正確には決められない（図19. 不確定性原理）。
なにもないところからでも生まれてくる（図20. 真空のゆらぎ）。果ては、
お互いの区別がつかない（図21）など。私たちの世界を拡大していけばどこにでも、このように不可思議なミクロの世界が広がっているのです。
世界のありようを認識することで、私たちの常識は形成されています。
しかし科学の目をひたすら研ぎすましていったとき、その常識は大きく揺らがされます。

場の理論では、「光子＝電磁場の興奮した状態」と考えます。
まず場があり、次いで素粒子があるという順番で考えるわけです。
電磁場にエネルギーが与えられると、その強さに応じて、場が興奮状態（励起状態）になります。鏡のように静かな水面でも、石を投げ込めば水面が波立つでしょう。
この水面を電磁場に、波を光子に例えることができます。
ただし水面と電磁場には、決定的な違いがあります。水面の場合、波を伝える水は「物質」です。
しかし電磁場は、波を伝えるという「性質」
は備えていても、「物質」
ではないのです。
図を使って、
見ていきましょう。

波の速度は、
静止した水の上を伝わる「波自身の速度」と「川の流れの速度」
を足したものになります
（図22）
。
しかし
持ちません。
「場が動かない」のではなく、「動くという概念自体が、場には当てはまらない」のです
（図23）
。結果と

対で生まれては消える事が繰りという存在の証でもあります。

して、光子は電磁場に対する速度を持たず（光子と電磁場の間に「速度」という関係は成立せず）、
光子はそばにいる観測者に対して、常に一定の速度で動くことになります（すなわち「光速度不変の法則」
です）
。
電磁場、
重力場、
ヒッグス場…この宇宙には、
さまざまな場が存在します。
これらの場は、いずれも物質的存在ではありません。
しかしなにもないというわけではなく「物理的な性質」があります。
性質という言葉は、電球が一列に並んでいるとします。
電球は動きませんが、スイッチのオン・オフで、あたかも明かりが動いているかのように見せることができます。
明かりが順次点灯し、中央へと近寄ってきます。

中央で重なりました。

2つの明かりが離れていきます。
さて、この2つの明かりは、
まっすぐに進んでいったのでしょうか？それとも中央で折り返したのでしょうか？
この問いに意味がないのと同様に、素粒子の世界では、素粒子どうしには区別がないのです。

日常的にはなんらかの物にともなって使われます。
この常識に反して、場とは「物のない状態」
「性質だけ
の存在」
なのです。

見えない
「場」
を描き出す 「光で考える」の章で見たように、地球を基点にすると、遠く離れた場所の光円錐は変形しています。
これを、場の観点から考えてみましょう。

も、重力場の影響です。
光円錐は、この重力場の影響を受けて歪んでいるのです。
このポスターに描かれた数々の光円錐から、時空がいかに歪んでいるのか、宇宙がどのように膨張しているかを、見て取ることができます。
ただしこの時、
図23で見たように、「場には目印を置くことができない」
ことに注意する必要が渡っていくとしましょう。
このとき、木の葉から見た波の速に乗って進むため、
常に

すると、
左
度をV2とします。

「川の水に対して静止」
しの川岸からみた場合のています（図中で動いている

波の速度は、
V1 ＋ V2のは、川岸から見た様子を描いとなります。

たちにかいま見せてくれます。

科学は「とりあえずの正解」 科学の発展が、それ以前の科学的主張を書き換えることがあります。
その時、新しい科学から見れば、古い科学が描くようには、世界は存在していなかったことになります。
例えば、かつての科学において「光を伝える性質」
を担っていたエーテルという概念は、
相対性理論によって存在を否定されました。
光は「波か、
粒子か」ではなく、まったく新しい性質を持つことを、
現代の科学は明らかにしました。科学は常に現在進行形であり、「だいたい正しい」ように見える世界の仕組みを提示しては、
それまでの世界観を改訂していくのです。

波は川の一部であるため、川の速見えないものは、実在するといえるだろうか？ 科学の度の影響を受けていますが、同時に、波自体の速度も持っています。
その速度最前線においては、
しばしば、その時代の技術では直接観測できない事柄を仮説や前提にして、理論

は、木の葉を目印に測れます。

が展開されます。
そこで素朴な疑問が生まれてきます。
このポスターで見てきたような不可思議な光の世界

図 23 場には速度がなく、光子は不変の速度を持つ

光

電磁場に対して静止している目印

は、果たして、理論が説明する通りに実在しているのでしょうか？そもそも私たちは、それを確認するすべを持電磁場

光も、波の一種です。
そして電磁場という場の上を学です。
「科学は発達するにつれて実在の世界に迫っていく」と考える立場がある一方で、「科学が世界の真のる目印を置くことができません。
場は、水や空気のような姿をとらえているかどうかを問うことはできない、もしくは科学にとってそれは重要ではない」と考える立場もありま

「物質」
ではなく、
「性質」
だけの物理的な存在だと考えらす。科学が人間の営みである以上、科学と世界の関わりについては、さまざまな考え方が存在するのです。

れています。
場を川に例えてイメージしてきましたが、その比喩を、
最後ま速度」
を持つことがありません。
速度という概念がないわけですっているのでしょうか？

科学の見方、文化の見方 このように、科学自体を考察の対象とするのが科学哲

伝わっていきます。
しかし場には速度という概念そのものがないため、
木の葉のような「場に対して静止」
していで用いることはできません。
川と異なり、
電磁場は「それ自体の光は、電磁場を伝わる波です。
そして光は、
電磁場のみならず、重力場と呼ばれる場とも関わっています。
重力場とは、
その名の通り、
重力を伝える場のこと。私たちが地球に張り付いているの川は、それ自体が流れています。
軽いがわかります。
この川の上を、
波

川岸から見たときの波の速度 = V1 + V2

木の葉は川の流れ

光を見るのは、
科学の目 光は、私たちが世界を知るための手段。
この宇宙で最速の存在にして、時空のモノサシ。
その正体を探っていくと、日常感覚の拡張では理解しがたい、
世界の成り
図22 川には、流れの速度と、立ちや振る舞いが姿を現しました。
こうした世界の秘密を、
現代の科学は、私
波の速度がある木の葉などを使えば、その速度V1ているためです）。

物質がないのに、性質がある？ 川の流れの上を、波が伝わっていくとします。このとき
電磁場（や、他のすべての場）
においては、勝手が違います。場は物質ではないため、
そもそも
「速度」
という概念を返し起こっていると考えられてい木の葉から見たときの波の速度 = V2
木の葉の速度 ＝ 川の流れる速度 = V1

粒子には、それぞれに対応した「場」が存在しています。
光の場である「電磁場」
を例に、イメージを思い描いてみましょう。

が、量子力学的な視点で見るます。
この現象は、
後述する「場」ているのは、場という「物理的な性質」
なのです。
目に見えず、目印も置けない、この宇宙の性質。
光の道筋を描いた光円錐の歪みは、それを間接的に私たちに教えてくれています。

光の
「素」
と、
光の
「場」 素粒子を理解するためには「場（ば）」という概念が必要になってきます。さまざまな素と、真空では素粒子と反粒子がスリット実験を繰り返すと、干渉縞が現れます。

宇宙マイクロ波背景放射を放った場所の物質は、光速の約60倍で遠ざかっていました。

光について追求するほどに、見知らぬ世界が姿を現してきました。
それを説明してくれる
「科学」
について、
私たちは、
どれだ
けのことを知っているでしょうか？

実は、
電磁場に
このような目印は
置くことはできません。

から、場に対して静止することも、場に対して動くこともできません。
つまりここでは、光の速度は、
観測する人と、観測される光だけの関係を示すものとなります。

このポスターでは、
一般相対性理論の効果を考慮しなくてはならないスケールの現象である「宇宙の膨張」の時間当たりの変化量についても、
「速さ」
「速度」
と呼ぶことにします。
これらは本来、一般相対性理論の影響を考慮されていない概念ですが、宇宙膨張の本質的な理解に近づくために、その意味を拡大して用いています。

光を考える上では、文化史的な側面も見過ごせません。
例えば私たちは、「明るい」「暗い」というシンプルな言葉にさえ、即物的な意味を超えたイメージを抱きます。
光についての実際の体感と、言語やイメージの連関とが、
私たち
の世界を、
複雑で豊かなものにしているのです。

光、
世界、
そしてあなた 「光で見る」ことは、私たちが世界を知り、世界とつながる出発点でした。
そして私たちは「光を考える」
ことで、世界を認識する主体である、
私たち自身へと帰ってくることになります。
光をめぐる4つの視点を、縦横に行き来すること。
それが、広く深いこの世界を把握し、私たち自身について考えるための手がかりとなるのです。