宇宙には無数の星が輝いているのに、なぜ夜空は暗いのでしょうか？オルバースのパラドックスを解く

晴れた夜に空を見上げると、満天の星空が見えます。しかし、これらの星の間には暗闇があり、これらの星は黒いベルベットの上に置かれた宝石のように輝いていました。

これはもはや不思議な現象ではありませんが、人間が他の動物と異なるのは、賢い脳を持っていることです。何千年もの間観察されてきたこの現象について、いまだに多くの人々が考え続けています。なぜ宇宙は黒いのでしょうか?

オルバースのパラドックス

現代の科学的観測と研究により、私たちは宇宙について十分な理解を得ることができ、観測可能な宇宙には何兆、何十兆もの銀河があり、宇宙は非常に広大であることが常識となっています。私たちの天の川銀河は、これら数多くの銀河の中の渦巻き銀河の一つに過ぎず、太陽は天の川銀河の中の普通の星の一つに過ぎません。天の川銀河の直径は20万光年で、2000億から4000億個の恒星が含まれています。

私たちの地球は太陽系の中では中くらいの大きさの惑星です。太陽は毎日地球を照らし、私たちに光をもたらしてくれるので、日中は空が明るくなります。しかし、宇宙ではすべての星が太陽であり、天の川銀河でさえ何千億もの太陽が輝いているのに、なぜ宇宙の背景はこんなにも暗いのでしょうか?

古代の人々は宇宙について深い理解を持っておらず、星を神とみなしていたので、当然この問題については考えませんでした。しかし、科学の時代になると、賢い人々は疑問を持ち始めました。 1610 年に天文学者ケプラーがこの疑問を提起し、彼は科学的な方法でこのような疑問を提起した最初の人物であると考えられています。 1823年、ドイツの天文学者オルバースがこの疑問を体系的に提起したため、人々はこの疑問を「オルバースのパラドックス」と呼びました。

オルバースのパラドックス（夜闇のパラドックスまたは光度のパラドックスとも呼ばれる）の核となる考え方は、宇宙が定常状態にあり無限であるならば、夜は暗くなく明るくなるはずだというものです。この考えは、常に人間の思考を支配してきた絶対的な宇宙論に基づいています。この考えでは、宇宙はこのように誕生し、始まりも終わりも境界もなく、光の速度も無限であると信じられています。

古代ギリシャで科学が出現して以来、絶対的な世界観が支配的なイデオロギーとなってきました。この概念は、コペルニクスが地動説を発見し、ガリレオが宇宙の広大さを観察し、ニュートンが重力を発見するまで揺らぐことはありませんでした。この見解によれば、宇宙は始まりも終わりもなく無限であるため、星の数も無限であり、光の速度も無限であるため、星は誕生するとすぐに宇宙を満たすことになります。このように、星が発する光は宇宙に残るので、宇宙は明るいはずです。

しかし、実際には宇宙は暗く、それは矛盾であり、したがってパラドックスです。

現在、科学はこの問題を非常にうまく説明しています。宇宙が暗い理由は主に 3 つあります。第一に、宇宙は静的ではなく動的であるということです。第二に、光の速度は有限かつ一定であるため、光の伝播にも時間がかかります。第三に、宇宙はあまりにも大きくて空虚であり、それを満たす物質がないので、星の光はこれらの空間を照らすのに全く不十分です。

宇宙は膨張しており、始まりと終わりがある

前世紀の初め、科学界は混乱状態にありましたが、宇宙の観測と発見において画期的な進歩がありました。これらの最も典型的な代表例は、人間の概念を完全に覆す一連の理論を発見し創造した伝説的な人物です。この人は偉大な科学者アインシュタインです。

アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論は、エドウィン・ハッブルの宇宙膨張の発見やマイケルソン・モーリーの実験による光速度不変の発見など、現代科学における一連の発見に基づいて、空間と時間の相対性を実証し、ニュートン力学における空間と時間の絶対的見解を否定した。

それ以来、宇宙は有限であり、絶えず膨張し、始まりと終わりがあるという見解が、科学界と世界の主流の認識となってきました。さまざまな科学的手法による観測とモデル化により、宇宙は約138億年前に誕生し、インフレーション、減速膨張、加速膨張の3つの段階を経て、現在は加速膨張の段階にあると考えられています。ハッブル定数によって監視されるように、膨張率は光速よりもはるかに速いです。

宇宙の膨張率とハッブル定数に基づいた科学的なモデル化と計算により、観測可能な宇宙の半径は約 465 億光年であることが明らかになりました。観測可能な宇宙とは、将来人類が理解し観測できる宇宙のみである。この観測可能な宇宙の外にも宇宙は存在しており、その範囲がどの程度の大きさなのかは現時点では予測できません。

太古の昔、つまりビッグバンのあと、星や銀河が形成されるまでに何億年もかかり、宇宙が膨張するにつれてこれらの銀河は急速に私たちから遠ざかっています。このようにして、銀河と星の間の距離はますます大きくなり、宇宙の密度はますますまばらになり、光はますます弱くなります。

これが、星からの光が宇宙全体を照らすことができない第一の理由です。オルバースのパラドックスは、実際には宇宙の絶対的な見方に疑問を投げかけ、宇宙の相対的な動的な見方を支持しています。

光の速度には限界があり、伝播には時間がかかる

光の速度が無限であると仮定すると、突然星の光が宇宙全体を満たすことになり、宇宙は明るくなります。しかし、ガリレオに始まり、人々は光の速度が無限であるという理論に疑問を抱くようになりました。何百年にもわたるたゆまぬ努力と数え切れないほどの実験を経て、科学者たちはついに真空中の光の速度は 299792458 m/s (メートル毎秒) であると結論付けました。

さらに、マイケルソン・モーリーの実験により、地球の方向に沿って来る光と地球の方向に逆らって来る光など、異なる慣性系や異なる方向でも光の速度は同じであることが確認されました。したがって、光の速度は一定です。

光の速度は有限かつ一定であるため、星の光が放射されてからある場所に到達するまでには時間がかかります。

光の本質は電磁波です。人間の目は可視光線しか見ることができません。可視光線は、電磁スペクトル全体の中でも非常に狭い帯域、約 780 ～ 380 nm の範囲にしか見えません。そして光波にはドップラー効果があります。ドップラー効果とは何ですか?つまり、波源が観測者から高速で遠ざかるにつれて波長は引き伸ばされ、観測者に高速で近づくにつれて波長は圧縮されて短くなります。光波のドップラー効果により、スペクトルの赤方偏移と青方偏移効果が生じます。

宇宙の膨張は光の速度よりもはるかに速いため、人間が遠くの銀河からの光を観測すると、赤方偏移効果が発生します。星の光が遠くへ速く遠ざかるほど、可視光の波長範囲から外れ、人間の目には見えなくなります。そのため、宇宙で私たちが肉眼で見る光波は、電磁波のごく一部の周波数帯に過ぎず、ほとんどの周波数帯は見ることができないため、星の光が宇宙全体を満たすことは不可能です。

星が遠ざかるにつれて、その明るさは減少する

人間の目に見える光には、星、火、ランプなど、光源自体から発せられる光が含まれていることは知られています。物体によって反射される光もあります。例えば、月、人、家、木など、光源以外の物体はすべて反射光を頼りに見ています。

宇宙では、それぞれの星は離れすぎており、広大な空間には真空があり、光を運び反射する粒子はほとんど存在しないため、星の光は空間全体を照らすことができません。

私たちの地球は太陽からわずか1億5000万キロメートル離れており、大気に包まれています。太陽光は地球に到達すると大気の粒子によって反射され、青い空と白い雲、そして日陰の明るい光が見えるようになります。月面では大気粒子の反射がないので、太陽が照っている場所は明るく白く、太陽が照っていない場所は真っ暗になります（もちろん、月の岩石やその他の物体も影に光を反射しますが、大気粒子や塵がなければ、はるかに暗くなります）。

実際、太陽の光は遠くまで届きません。冥王星に到達すると、太陽からの平均距離は60億キロメートル未満、つまりわずか0.00063光年になります。そこに見える太陽は星ほどの大きさしかありません。まだかなり明るいですが、満月の 291 倍の明るさしかありません。地球上では、太陽は満月よりも約70万倍明るいです。

1光年の距離から太陽の明るさを見ると、見かけの等級はわずか -2.71 です（値が小さいほど明るい）。地球から見ると、金星は-4.6等級に達し、木星は-2.9等級に達します。つまり、1光年の距離から太陽を見ると、地球から見た金星や木星ほど明るくないということです。太陽を遠い地点、つまり4.3光年離れた最も近い恒星であるアルファケンタウリから見ると、太陽の見かけの等級はわずか0.43で、アルファケンタウリAの0.01等級ほど明るくはありません。

星はまばらで、宇宙空間に星を反射する粒子がなければ、光ることができません。

宇宙の星はどれくらいまばらなのでしょうか?天の川銀河を例に挙げてみましょう。天の川銀河の直径は約 20 万光年です。平均厚さ 5,000 光年を使用して体積を計算すると、4,000 億個の恒星間の平均距離は約 7.32 光年になります。星の少ない空は、星からのわずかなエネルギーだけに頼っては光で満たすことはできません。

さらに重要なのは、空間全体が高真空状態にあることです。塵や星雲が集中している一部の場所を除いて、宇宙のほとんどの場所には、光をまったく吸収したり反射したりできない極微量の粒子が浮遊しているだけです。銀河間の距離はさらに大きく、数十万から数百万光年と測定されるため、この巨大な空間はさらに空虚です。

宇宙の平均密度は 1 立方メートルあたり 1 個の粒子しかないと一般に信じられています。この密度は、宇宙内のすべての粒子（粒子に変換されたすべての銀河と星を含む）の合計と空間の比率として計算されます。したがって、宇宙の広大さは人間の現象を超えています。

宇宙塵が集中している場所では星雲の反射が見られ、望遠鏡で創造の柱のような色鮮やかで奇妙な形をした星雲を捉えることができます（下の写真参照）。実際、これらの星雲の密度は非常に小さく、1立方センチメートルあたり数十から数百の粒子しかありません。しかし、月の表面は真空度が高く、粒子の数は1立方センチメートルあたり数万個に達します。

しかし、これらの星雲は極度の真空空間で非常に密集しており、その範囲は数光年、あるいは数百光年にも及ぶこともあります。これらの粒子の総量は非常に膨大であるため、星雲は新しい星の誕生と形成の母です。

夜空を見上げると星は見えるのに背景は真っ暗になるのはそのためです。現代宇宙論では、宇宙が加速度的に膨張し続けると、星空はますますまばらになり、背景はますます暗くなり、最終的には宇宙は熱死すると信じられています。もちろん、この時間は非常に長く、人類が耐えられないほど長く、ずっと前に消滅していたでしょう。

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