質問: 空間とは何か ビッグバンにより宇宙空間が拡がり、宇宙空間の外側は空間も何も存在しない完全な無(多元宇宙があるとかではなくあくまでこの宇宙空間の外縁)という認識なのですが、では空間とは一体何なのでしょう。 全ての始まりが超高密度のエネルギーなら、空間そのものもエネルギーから作られるという事なのでしょうか? (物理学は未解明の事象があまりにも多すぎるので、最後は皆様の予想などお聞かせ下さいませ)
回答: いろいろな考え方があり得ると思います。しかし宇宙論に用いられる、マクロ物理学の一般相対性理論としては、空間と物質に特に差異を設けません。さらに申せば、物質というよりはエネルギー密度という考え方をします(結果、光=電磁波も含めてしまえる)。 体積のない一点に何かあるという考え方をせず(そうしてしまうと、数式解に発散と呼ばれる無限大が生じがちで理論的に破たんする)、ある体積にある密度のエネルギーがあるという扱いにします。物質も質量エネルギーがありますから、相対論的にはエネルギーの一種と見做してよいです。 するとどうなるかですが、宇宙は物質と空間をまとめて、高低がいろいろなエネルギー密度の分布になっているという統一的な見方になります。エネルギー密度が極端に低く、事実上ゼロと見做せる領域を(真空の)空間と呼んでいるわけです。 >全ての始まりが超高密度のエネルギーなら、空間そのものもエネルギーから作られるという事なのでしょうか? そういうことになります。宇宙が誕生してしばらくは高密度のエネルギー密度でほぼ均等に分布していたのが、膨張と共に次第に疎密が生じてエネルギー密度の低い部分が生じてきます。エネルギー密度が極めて低い部分を(真空の)空間と呼んでいるだけなのです。 空間という入れ物があって、その中に何か(物質、エネルギー等)があるというのはニュートン力学的な世界観ですが、相対論的な世界観ではそれらは統合されます(ついでに申せば、時間と空間も統合されている)。 p.s. しかし、そういう宇宙がどういうものなのかは、宇宙の誕生からきちんと考えないと、どういうものか分かったとは言えません。宇宙誕生のときは、今の広大な観測可能な宇宙がほぼ一点だったという、ミクロな状態でした。その状態をきちんと記述するのは、ミクロの物理学である量子力学であるわけですが、重力も含めて考えるには一般相対論を量子力学で記述せなばなりません。 量子力学と一般相対論を統合して量子重力理論が作れれば、宇宙のごく初期も理論的にきちんと考えることできるようになってきます。しかし残念ながら、まだそれはうまく行っていません。 それでも、ホーキング博士がときどき一般向けに漏らしてくれることから考えてみると、宇宙の最初が「体積ゼロで密度無限大」ということから、0×∞ということになります。 0って数ですけど、∞は数ではありません。式に項が二つあって、一方が数として扱えない代物なので、答をどうしていいか分からないわけです。そこで、∞の逆数を考えてみます。逆数とは、元の数にかけたら1になるような数で、例えば2に対する1/2です。2で割るなら、1/2を掛ければいいし、その逆もまた然りです。 ∞は数ではないものの、1/∞を考えると、0としていいでしょう。すると、0×∞は0/0のようなものとしていいでしょう(「×∞」は「/0」と同義と考えてみるということ)。「0/0」自体はあり得ない数なんですが(除算や分数として未定義)、∞といった数でないものは0/0には出て来ず、0/0の答を「不定」だと考えることができます。 数学で言う「不定」とは、答が決められないということです。どういう数でもいい、というような生易しいものではなく、「あらゆる数である可能性を持ちつつ、どんな数でもない」といったものになります。 体積が0で密度が無限の状態を、ホーキング博士は「あらゆる可能性を内包した量子のあぶく」と呼んでいます。何にでも化け得る量子ということです。数学の不定と似ています。それで上記のような「0/0」という戯言をちょっと考えてみました。