宇宙の膨張速度が光速を超えていることはどうやって計算されるのでしょうか？

アインシュタインの特殊相対性理論では、光の速度に赤い線が描かれており、これは光の速度が宇宙で最も速く、上限であることを意味します。あらゆる物質的運動はこの天井を突破してはなりません。しかし、宇宙の標準モデルでは、宇宙の膨張は光速を超えています。これにより多くのネットユーザーが混乱している。物質の動きは光速を超えることができないのに、なぜ宇宙は膨張することができるのでしょうか?

インターネット上にはこのような質問がたくさんあります。下のスクリーンショットをご覧ください。

これらの質問はすべて似ており、光速よりも速い宇宙の膨張と光速での物体の移動の違いを明らかにすることです。後者の質問自体が答えを与えているようです。簡単に言えば、光速度の壁は静止質量を持つ物体が光速度を超えることができないことを要求し、宇宙の膨張は時空の膨張です。時空自体には質量がなく、もちろん光の速度によって制限されることはありません。

私は過去に何度もこの種の質問に答えてきました。インターネット上の多くの友人がまだ混乱しているのを見て、もう一度簡潔かつ体系的に説明します。辛抱強く読んでいただければ、十分に理解していただけると思います。まだ質問がある場合は、下のコメント欄にコメントを残してください。できる限りお答えします。

しかし、一つ明確にしておかなければならないのは、私の回答はすべて、宇宙論の標準モデルなど、現代の科学界が認める科学的常識に基づいているということです。いわゆる宇宙論の標準モデルは、均一で同一の宇宙の運動の法則を記述するアインシュタインの一般相対性理論に基づくモデルです。

もし誰かが科学的常識（つまり科学界の総意）を認めることを拒否し、あなたとの議論を主張するなら、私はその人と議論するつもりはありません。

宇宙の膨張とは何ですか？

いわゆる宇宙膨張とは、宇宙全体の大規模な継続的な膨張を指します。これは有名なアメリカの天文学者エドウィン・ハッブルによって初めて発見され、証明されました。彼を記念して、最初のトップクラスの宇宙望遠鏡に彼の名前が付けられました。ハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられて以来、人類の視野は大きく広がり、宇宙に対する革新的な理解がもたらされました。

ハッブルは1929年に長期にわたる観測に基づいて宇宙は膨張していると結論付けた。この結論によれば、宇宙全体は常に均一に膨張しており、すべての銀河は互いに均等に離れ、どんどん遠ざかっていることになります。地球から観測すると、どの方向でも同じであり、これを等方性といいます。銀河が私たちから遠くなるほど、銀河の遠ざかる速度は速くなり、遠ざかる速度は距離に正比例します。

そこから彼はハッブルの法則を導き出しました。これは簡単に言えば、V=HD です。ここで、V は銀河の後退速度を表します。 H はハッブル定数を表し、地球から 10 Mpc の距離にある銀河の後退速度として定義され、単位は s/km (秒/キロメートル) です。 D は銀河と私たちの間の実際の距離を表します。 Mpc は 100 万パーセクで、1pc (パーセク) は約 3.26 光年です。

この観測結果はアインシュタインの一般相対性理論と完全に一致しており、アインシュタインの場の理論と空間と時間の絶対的な見方との間の矛盾を解決し、ビッグバン宇宙モデルに決定的な証拠を加え、特異点の爆発以来宇宙の膨張が止まっていないことを示しています。

鮮明な比喩を使うと、現在の宇宙は膨らんだ風船のようなものです。この風船は特異点の膨張であり、すべての銀河物質は風船の膜上の星のような模様です。風船が膨らみ続けると、これらの星のような模様は互いに離れていきます。風船の表面のどの点から見回しても、すべては同じに見えるので、宇宙には中心がありません。

この風船の膜は質量を持たない宇宙（または時空）です。星の斑点模様は、宇宙に埋め込まれた質量を持つ銀河です。これらの巨大な銀河自体は、電車に座っている人々と同じように動いていません。電車は速く走っていますが、電車に乗っている人は速く走っていません。

パンを焼くのも想像できます。パンそのものが時空です。パンが膨らみ、中に埋め込まれたレーズンも離れていきます。しかし、レーズンは動きません。パンが膨らむにつれて、それらは互いに離れていくだけです。

宇宙が膨張するにつれて、もともと密集していた銀河は次第に離れ、互いに遠ざかっているように見えます。宇宙の膨張は単なる時空の膨張であり、巨大な物体の動きではないため、光の速度によって制限されることはありません。

宇宙の膨張率はどのように計算されますか?

宇宙の膨張率の計算はハッブルの法則に基づいています。前述したように、ハッブルの法則にはいくつかの代数があります。 V は総速度、H はハッブル定数、D は実際の距離を表します。この式によれば、計算のためにデータに代入する前に、まずハッブル定数を知っておく必要があります。

正確なハッブル定数を得るために、多くの天文学者が過去数十年にわたってあらゆる手段を講じて多数の測定を実施し、いくつかの代表的なデータを取得しました。

2006年、マーシャル宇宙飛行センターはチャンドラX線望遠鏡を使用して、約15%の誤差で77km/sという結果を得ました。 2009年、NASA（アメリカ航空宇宙局）はLA超新星の測定に基づいて74.2±3.6km/sという結果を得ました。 2013年、欧州宇宙機関はプランク衛星の測定に基づいて67.8±0.77km/sという結果を得ました。 2019年、ドイツの科学者たちは重力レンズ効果を利用して、82.4km/sという結果を得ました。

それぞれの方法で測定されたデータは完全に一致しているわけではなく、大きな違いもあります。異なるデータを使用して計算された宇宙の年齢と膨張率は異なります。今日はこれらのデータを妥協して平均値を取得します: (67.8+77+74.2+82.4)/4=75.35km。

つまり、私たちから 326 万光年の距離にある銀河が私たちから遠ざかる速度は、約 75.35 km/s です。この妥協的なハッブル定数に基づいて、宇宙の膨張率を測定することができます。等方性の原理によれば、遠いほど速くなり、距離と後退速度の関係から、私たちに対する任意の距離にある銀河の後退速度を計算することができます。

例えば、326万光年離れた場所では、速度は75.35km/sになります。 1億光年離れた場所では、速度は2311.35 km/sになります。

私たちが観測できる宇宙の半径は 465 億光年です。つまり、私たちから最も遠い銀河は 1074777.75 km/s の速度で遠ざかっている、つまり後退していることになります。この速度は光速の約3.58倍であり、宇宙の膨張速度は光速よりも速いと言われる所以です。

宇宙の膨張は光の速度よりも数倍速いのに、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？

これは、いわゆる宇宙の膨張が、宇宙全体の膨張の重ね合わせ速度である光の速度よりも大きいためです。比喩的に言えば、宇宙の風船全体の総膨張速度です。これは、観測可能な宇宙において、私たちと最も遠い銀河が互いに遠ざかっている速度であり、近距離にある銀河が互いに離れていく速度ではありません。これは宇宙全体の大きなスケールの法則であり、近くの天体には適用できません。

私はかつて、この効果を説明するために竹の棒を挿入したことがあります。 1,000 本の竹竿を 1 キロメートル間隔で差し込み、各竹竿を同時に 1 メートルずつ引っ張ると、1 キロメートル離れた最も近い竹竿は 1 メートル離れることになり、視覚的に感じるのは難しいです。しかし、私たちから1,000キロ離れた竹竿は、一瞬にして私たちから1,000メートル離れたところまで引っ張られ、速度増加効果は非常に明白です。

3億本の竹竿の位置に到達すると、すべての竹竿が1秒間に1メートル動きます（均一膨張）。 3億本目の竹竿の位置では、観測者（地球など）からの距離が毎秒3億メートル増加し、光速に達します。

これは、宇宙の膨張が大規模な膨張に過ぎないことを示しています。非常に近い距離では、拡大は非常に遅く、目立ちません。

近距離にある天体は主に重力によって束縛されています。たとえば、太陽系や天の川銀河でさえも重力によって結びついており、宇宙の膨張の影響を感知することは困難です。地球から254万光年離れたアンドロメダ銀河は、私たちとの間にある巨大な重力によって今も天の川銀河に近づいていますが、30億年から40億年後には2つの銀河が衝突して合体すると予測されています。

しかし、全体的な科学的観測により、遠方の銀河が私たちから遠ざかっていることが証明されており、最も明白な証拠は赤方偏移現象です。これが光波のドップラー効果です。音波など、波の形で伝わるものはすべてドップラー効果を持ちます。車や電車の汽笛が高速で近づいてくると、止まっているときよりも音が高くなります。遠ざかると、動いていないときよりも音が低くなります。

光波のドップラー効果とは、高速で接近する物体のスペクトルが青い端に向かって移動することを意味し、これを青方偏移と呼びます。高速で遠ざかる物体のスペクトルは赤い端に向かって移動します。これを赤方偏移といいます。科学者が遠くの銀河を観察すると、赤方偏移が見られます。赤方偏移の量は距離に比例するため、銀河が私たちから遠ざかる速度は赤方偏移の量によって決定できます。

ハッブルの法則によれば、銀河が私たちから遠ざかる速度を知ることで、この銀河と私たちとの間の距離を計算することができます。科学者たちはアンドロメダ銀河のスペクトルの青方偏移を観測し、それが地球に近づいていることを証明した。

この時点で、宇宙の超光速膨張は全体の空間の超光速に過ぎず、それぞれの局所的な膨張速度は非常に遅く、一部は重力の影響を受けて互いに近づいていくことを理解する必要があります。したがって、光速よりも速い宇宙の膨張は、光速は限界であり超えることはできないとするアインシュタインの理論とはまったく異なります。

これが宇宙の膨張の基本です。議論を歓迎します。読んでくれてありがとう。

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