宇宙の物質は何もなかったところから生まれたのでしょうか、それとも常に存在していたのでしょうか?科学者の意見

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これは大きな問いであり、宇宙と人類はどこから来て、どこへ向かうのかという人類の根本的な問いとも言えます。現時点では、世界の科学界はこの問題に対する完璧な説明をまだ見つけ出せていません。量子力学の不確定性原理や真空零点エネルギー理論など、理論的な断片はほんのわずかしかありません。

これらの理論に関する私の理解によれば、宇宙物質の起源は、無から創造されたか、あるいは何かから創造されたかのどちらかであると言えます。これらの理論を説明するには、やはりアインシュタインの質量エネルギー方程式、E=MC^2 が欠かせません。この式は単純ですが、質量とエネルギーの等価性と互換性という宇宙の深い謎を説明しています。

宇宙のすべての物質はエネルギーから変換されます。極端な場合には、再びエネルギーに変換され、最終的には絶滅に至ります。これが宇宙の誕生と死の法則です。

マクロ的な視点から見ると、宇宙は何もなかったところから誕生しました。

宇宙のビッグバンモデルは現代宇宙論の標準モデルとなっている。この理論は世界中の天文学者や宇宙学者の主流の理解となっています。宇宙の起源に関するこの理解の概要は、宇宙は 138 億年前の特異点から始まったというものです。この特異点は偶然により突然爆発しました。この爆発は急速な膨張として理解でき、こうして今日の宇宙が形成されたと考えられます。

特異点は138億年前のビッグバンから始まり、インフレーションと急速な膨張の段階を経てきました。それは今も光速の数倍の速度で膨張し続けています。現在では半径約465億光年の観測可能な宇宙となっています。いわゆる超光速膨張とは、あらゆる場所が超光速で膨張しているということではなく、宇宙全体の超光速膨張が超光速であることを意味します。私たちから465億光年離れた観測可能な宇宙の端では、銀河が光速を超える速度で私たちから遠ざかっています。

科学的に言えば、特異点は、無限に小さい体積、無限に高い密度、無限の曲率、無限の温度によって表されます。それで、疑問は、この特異点とは何なのかということです。それはどうやって起こったのですか?マクロ的な視点で見ると、それは何もないところから突然現れ、虚空から現れるものである。

物理学では、存在し、かつ存在しない点を特異点と呼びます。それは空間と時間が無限の曲率を持ち、空間と時間が終わる点です。一般相対性理論では、そのような特異点は必ず起こると予測されています。これは、極端な重力場にある物質が量子過程の影響を受け、ブラックホール特異点などの別の時空次元に崩壊する現象です。

ビッグバンは別の時空からの反発の結果でした。この意味で、特異点は時間と空間を超えたものであり、もはやこの宇宙の空間と時間の問題ではありません。そこではすべての物理理論は無効であり、つまり説明できないということです。特異点の出現は、別の時空から私たちの時空への拡張であり、したがって何もないところから出現します。

しかし量子力学の理論によれば、宇宙は

現代の量子力学には、この現象を説明する 2 つの理論、つまりハイゼンベルクの不確定性原理と、そこから派生した真空零点エネルギー理論があります。

ハイゼンベルクの不確定性原理は、ミクロの世界では粒子の位置と運動量を同時に正確に知ることは不可能であると述べています。このことから、温度が絶対零度まで下がっても粒子は依然として振動するだろうと推測できます。そうでなければ不確定性原理に違反することになります。

これは、たとえ宇宙が消えて空間と時間が存在せず、絶対真空だけになったとしても、粒子の動きが依然として存在することを意味します。粒子の動きがあるところにはエネルギーがあります。これが真空ゼロ点エネルギーの源です。絶対真空では、これらのエネルギーは量子泡の形で存在し、つまり仮想粒子の形でランダムに現れます。

これらの仮想粒子は正と負のペア、つまり物質と反物質の形でランダムに現れ、物質と反物質が衝突すると対消滅（エネルギーを放出して消滅）します。したがって、真空中のこれらの仮想粒子対はランダムに出現し、瞬時にランダムに消滅します。

もし世界が常に対称的で完璧なバランスを保っていたなら、私たちの世界は決して生まれなかったでしょう。しかし物理学者たちは世界が完璧ではないことを発見した。最も優れた代表者は、Chen Ning Yang、Tsung-Dao Lee、Chien-Shiung Wu です。彼らは「パリティ非保存の法則」を発見し、実験的に検証し、1957年のノーベル物理学賞を受賞した。

これらの理論によれば、私たちの宇宙は完璧ではなく、保存則や非対称性の破れが時々発生し、世界が絶えず変化し続けることになるとされています。その結果、科学界はビッグバンの画期的な説明を導き出しました。つまり、量子ゆらぎの中で継続的かつランダムに現れるこれらの仮想粒子対は、100%消滅するわけではないということです。それらの 1 つ、2 つ、またはそれ以上がずれて消滅しない場合は、宇宙の特異点になります。

私たちの宇宙はそのような特異点から形成されましたが、おそらくそのような特異点から形成された他の多くの宇宙が存在するでしょう。しかし、物理法則により、私たちは自分の宇宙を突破することができず、したがって他の宇宙の秘密を覗くことはできません。

破壊されても消滅していない特異点エネルギーは無に戻ることはできず、拡大することしかできません。これがビッグバンです。ビッグバンの温度は非常に高く、密度も非常に大きかった。最初はエネルギーだけがあり、他には何もありませんでした。ビッグバンから1秒以内に宇宙は急速に膨張し、重力、グルーオン、クォーク、ボソン、レプトン、陽子、中性子、そしてそれらの反粒子が次々と出現しました。その後、強い相互作用、弱い相互作用、電磁相互作用も分離されました。

宇宙の温度は最初の 10^32 から 1 秒後に 100 億 K まで低下しましたが、核力は依然として中性子と陽子を結合することができませんでした。したがって、原子はおろか、核子もまだ出現していませんでした。当時、宇宙には私たちが知っている一般的な物質は存在しませんでした。

384,000 年にわたる膨張と冷却の後、宇宙は十分に大きくなり、温度は約 3000K まで冷却され、中性原子が出現しました。宇宙はついに暗黒時代を終え、最初の光線（電磁波）が高密度の宇宙から分離し、それ以降宇宙は透明になりました。

この時、原子から構成される一般的な物質が出現しました。最も古い物質は、最も単純な元素である水素とヘリウム、そしてごく少量のリチウムでした。これらの軽い物質は、宇宙の重力の力によって徐々に星雲や星団に集まり、その後収縮して崩壊して星になりました。宇宙の星や銀河が誕生しました。

初期の星は比較的巨大であったため、寿命は短かった。恒星の核融合と継続的な超新星爆発の間に、より重い元素が次々と生成され、徐々に今日知られている118個の元素が出現しました。宇宙のあらゆる物質と地球上の無数の生命体を構成するのはこれらの元素です。

この意味で、宇宙物質は存在から生まれます。宇宙が誕生する前、これらのエネルギーは真空の中に閉じ込められていました。それは、アインシュタインの質量エネルギー方程式によって明らかにされた質量エネルギー変換の法則に従い、さまざまな物質に変換された巨大な真空零点エネルギーでした。

宇宙の特異点のエネルギーはなぜそれほど大きいのでしょうか?

宇宙の誕生に関するあらゆる理論の中で、ビッグバン理論は今のところ最も説得力があり、これまでのすべての観察と実験テストはこの理論の予想と一致しています。したがって、より論理的で説得力のある理論が出てくるまで、私はこの理論を信じたいと思います。

真空零点エネルギーの理論はさまざまな実験で確認されています。最も一般的な証拠はカシミール効果です（ここでは説明しませんが、興味のある方は情報を調べてください）。多くの科学者がこの実験を行い、真空ゼロ点エネルギーの存在を検証しました。その結果、真空零点エネルギーは科学界において議論の余地なく普遍的に受け入れられる存在となりました。

大型ハドロン衝突型加速器は、光速に近い速度での粒子衝突を通じてビッグバンの状態を100万分の1秒単位で再現し、ビッグバン初期の高温高密度のクォーク団子スープ状態をビッグバン理論で実証した。

では、なぜ消滅していない仮想粒子が特異点となり、今日の広大な宇宙物質に進化できるほどの莫大なエネルギーを持つのでしょうか?

研究により、真空ゼロ点エネルギーの局所エネルギーは非常に強いことが判明しました。有名な物理学者ジョン・アーチボルド・ウィーラーは、ゼロ点エネルギーの密度は 10^95g/cm^3 にも達すると推定しました。コンセプトは何ですか？それはビッグバンが始まったばかりのプランク時間です。宇宙にプランクスケールが 1 つしかなかったとき、その密度は 10^94g/cm^3 の 10 倍でした。

プランク時間は10^-43秒、プランクスケールは1.6*10^-35m、プランク温度は10^32Kです。つまり、ビッグバンから10000000000000000秒後、宇宙の大きさはわずか16000000000000分メートル、温度は10000000000分ケルビン、宇宙の密度は10^94g/cm^3でしたが、1立方センチメートルの真空背景エネルギーは、宇宙の初期の全エネルギーの10倍でした。

現在の研究によると、観測可能な宇宙の総質量は約 10^53g であり、真空のゼロ点エネルギーは 1 立方センチメートルのわずか 1/10^42、つまり 10 兆の 10 兆の 10 億分の 1 に過ぎないと言われています。

したがって、この特異点が宇宙全体のエネルギーを持っていることは驚くべきことではありません。真空のゼロ点エネルギーの背景エネルギーがなぜそれほど大きいのかについては、量子力学における非常に深遠で複雑なトピックです。私たち観客は、それが魔法のようで実際に存在するということを知るだけでよく、その真相を突き止める必要はありません。

宇宙がビッグバンから生まれたのなら、なぜ中心がないのでしょうか?

多くの人がこの質問に困惑しています。何度も説明しましたが、彼らはまだ混乱しています。この混乱の原因は、多くの人が宇宙の爆発を、爆竹や爆弾の爆発など、私たちの身の回りで起こるものと想像しているからです。爆竹や爆弾の爆発のポイントは中心ではないでしょうか？

実際、ビッグバンは爆弾の爆発として想像できますが、爆弾とまったく同じように爆発したわけではなく、むしろ膨張したのです。元々の特異点が、風船（もちろん、マウスピースのない風船）やバスケットボールのような形で現在のような形に膨張し、銀河や星などエネルギーから変換された物質はすべて球体の内部ではなく、球体の表面にあると理解できます。

このように、すべての銀河物質は、バスケットボールや風船の表面に描かれたさまざまな模様や星のようなものです。球体の表面上の任意の点を取り、周囲を見回すと、すべては同じです。宇宙が膨張するにつれて、これらの星のようなパターンは互いにますます離れていきますが、中心はなく、言い換えれば、どの点も中心です。

たとえば、地球の表面では中心はどこにあると思いますか?北京ですか、ニューヨークですか、それともパリですか?古代の皇帝とその追随者だけが、自分たちが世界の中心であると考えていたのです。もし今日でもまだそう思っている人がいるなら、その人は愚かだ。もちろん、ここで話しているのは地球の表面のことだけです。宇宙は地球の表面のようなものであり、宇宙には地球の中心核のような中心核はありません。

宇宙の膨張の証拠は、20 世紀初頭に天文学者エドウィン・ハッブルによって発見され、ハッブルの法則が確立されました。この理論の主な内容は、宇宙は常に膨張しており、宇宙のどの地点から観測しても等方性（同じ）であるため、宇宙には中心がないというものです。銀河が私たちから遠いほど、銀河はより速く遠ざかり、その関係は距離に比例します。式は単純に V = HD と表すことができます。

この式の V は、銀河が私たちから遠ざかっていく見かけの速度を km (キロメートルまたはキロメートル) 単位で表します。 H はハッブル定数で、銀河が 1 Mpc (100 万パーセク、約 326 万光年) の距離で遠ざかる速度を km/s (キロメートル毎秒) で表します。 D は、ハッブル定数の距離の倍数で表した、ターゲット銀河と私たちとの間の距離です。

宇宙が膨張している速度、または特定の銀河が私たちから遠ざかっている速度を計算するには、ハッブル定数を知る必要があります。より正確なハッブル定数を得るために、各国の科学者がさまざまな望遠鏡や衛星などの精密機器を使って何十年も熱心に観測と計算を行ってきましたが、そのたびに得られるデータはまったく同じではありません。

過去数十年にわたって、77km、74.2km、68.7km、82.4kmといういくつかの影響力のあるデータが得られました。平均すると、およそ 75.6 km/s になります。この式にハッブル定数を代入すると、ハッブル定数の 2 倍の距離、つまり 652 万光年離れたところでは、銀河の後退速度は 151.2 km/s であると結論付けることができます。同様に、観測可能な宇宙の端では、私たちから 465 億光年離れた銀河が、光速の約 3.6 倍に相当する約 1,078,343 km/s の速度で私たちから遠ざかっています。

再度質問する人もいます。宇宙はこんなにも速く膨張しているのに、なぜ私たちはそれを感じることができないのでしょうか?何千年もの間、太陽は同じ太陽であり、月は同じ月なのでしょうか?

実際、私は以前から、宇宙の膨張は大規模な重ね合わせの膨張にすぎず、銀河が互いに遠ざかる速度ではないことを明確に述べてきました。膨張率は光速の3.6倍で、これは観測可能な宇宙の中で最も遠い銀河が465億光年離れて移動している速度とちょうど同じです。

近ければ近いほど速度が遅くなるという法則によると、私たちの近くの宇宙の膨張速度は非常に遅く、天体は主に重力の影響を受けるため、膨張は感じられません。今日はここまでです。議論へようこそ、そして読んでいただきありがとうございます。

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