サイエンスタイムマシン | 「ビッグバン」はどうやって起こったのでしょうか?

1948年4月1日、ガモフはビッグバン理論を提唱した。

1948 年 4 月 1 日、国際的に有名な物理学雑誌「フィジカル レビュー」に、ロシア系アメリカ人物理学者ガモフによる「化学元素の起源」と題する論文が掲載されました。この論文でガモフはビッグバン理論を初めて体系的に解説した。この理論によれば、宇宙は極めて高温で高密度の「原始の火の玉」から始まり、次第に密から疎へ、高温から低温へと変化する過程を経てきたとされる。このプロセスは宇宙の継続的な膨張を伴い、特に初期段階では前例のない爆発のように激しくなるため、「ビッグバン宇宙モデル」と呼ばれています。

ビッグバン理論の形成は、ルメートル、ハッブル、ガモフという3人の科学者の卓越した貢献と切り離すことはできません。 1924年、ハッブルは銀河系外銀河の存在を確認し、さらにハッブルの法則を提唱しました。 1932年、ルメートルは「原始原子」の爆発起源の仮説を提唱した。 1948 年まで、ガモフはこの一連の理論を正式にビッグバン理論に統合しました。

銀河の赤方偏移現象

1948 年 4 月 1 日、アメリカの雑誌「フィジカル・レビュー」に、ビッグバン理論を初めて解説したガモフの論文「化学元素の起源」が掲載されました。この理論によれば、現在の宇宙の起源は巨大な爆発現象にまで遡ることができるという。

1910年にアメリカの天文学者スライファーがローウェル天文台で銀河の観測を行っていたとき、ある銀河の特定の元素のスペクトル線の周波数が地球上の同じ元素のスペクトル線の周波数よりも低いことを偶然観測しました。この現象は「赤方偏移」と呼ばれます。さらに観測を続けると、多くの銀河にドップラー効果による赤方偏移現象が見られ、これらの銀河が地球から極めて高速で遠ざかっていることが分かりました。その後、スライファーは40以上の銀河の視線速度を測定し、その速度がジェット機の速度よりもはるかに速いことを発見した。

1929年、アメリカの天文学者ハッブルは、銀河の赤方偏移の度合いが地球からの距離に比例することを発見しました。銀河が遠いほど、より速く遠ざかっており、これは宇宙が膨張状態にあることを示しています。

宇宙は「原始の火の玉」として始まった

宇宙の膨張現象に基づいて、過去を遡ると、宇宙の体積は現在よりも小さかったはずです。宇宙の起源のある瞬間まで遡ると、宇宙は極めて小さく、極めて高密度の物質の集まりであったはずです。

1932 年、ベルギーの科学者ルメートルは、宇宙膨張理論に基づく宇宙進化モデルを考案しました。宇宙のすべての物質は、もともと「原始原子」または「宇宙卵」と呼ばれる実体に集中していたというものです。宇宙の卵の爆発により物質が散乱し、最終的に現在の宇宙構造が形成され、その破片が銀河へと進化しました。これらの銀河は数十億年前の強力な爆発の結果として拡大し続けています。この考え方はビッグバン理論の「原子モデル」と呼ばれています。

1948年、物理学者ガモフは原子物理学の知識と宇宙膨張理論を組み合わせ、ビッグバンの「原始火の玉モデル」を提唱した。このモデルは、宇宙の初期の状態は素粒子で満たされた高温、高密度の「原始の火の玉」であったと指摘している。これらの粒子が核融合反応を起こすと爆発的な膨張が引き起こされ、その過程で生成されたさまざまな元素が拡散して、今日の宇宙のあらゆる物質を形成しました。

ビッグバン・セオリーが新たな命を吹き込まれる

ガモフが提唱したビッグバン理論は、登場当初はそれを裏付ける直接的な天文観測データがなかったため、次第に世間の注目を浴びなくなっていった。しかし、1965年に予期せぬ科学的進歩により、この理論に新たな命が吹き込まれました。

1964 年 5 月、米国のベル研究所の 2 人の優秀な科学者、ペンジアスとウィルソンは、高度なアンテナ受信システムを使用して空のノイズを正確に測定していました。定期的な観測中に、彼らは偶然、放射温度が約3.5Kで安定している異常なノイズ放射を捉えました。その後ほぼ 1 年間、機器をどのように調整し最適化しても、ノイズは絶えず存在し続け、除去できませんでした。さらに彼らを驚かせたのは、ノイズが等方性であり、季節の変化とは何の相関関係もなく、明らかに既知の特定の放射線源から来たものではないということだった。

1965年の初め、二人の科学者が混乱していたちょうどそのとき、彼らは偶然、プリンストン大学の物理学教授ピアスの理論的予測に遭遇した。ピアバス教授は、宇宙の起源であるビッグバンの過程から残った電波ノイズの残骸が存在するだろうと提唱した。徹底的な議論と分析を経て、彼らはついに驚くべき結論に達しました。彼らが観測したのは、謎の宇宙マイクロ波背景放射、つまり 3K 宇宙背景放射だったのです。

この結論はその後物理学界で広く認知され、確認されました。ペンジアスとウィルソンは大きな成功を収め、1978年にノーベル物理学賞を受賞しました。さらに重要なのは、宇宙マイクロ波背景放射の発見により、ビッグバン理論に強力な経験的裏付けがもたらされ、この理論が再び注目を集め、現代宇宙論の礎の1つとなったことです。

参照元: 現代物理学知識 WeChat パブリックアカウント、中国科学日報