5 人の学者が議論: 宇宙には終わりがあるか?

「宇宙には終わりがあるのだろうか？時間には長さがあるのだろうか…？」映画やテレビのセリフから生まれたこれらの疑問は、まさに科学者たちが現在困惑していることです。宇宙は無限ですか？現時点ではまだ明確な回答はできません。一部の物理学者は、宇宙の幾何学的形状は閉じたドーナツであり、宇宙は有限であることを示唆していると主張しています。他の学者は急速なインフレーションの概念を信じており、観測可能な宇宙における物質と存在の概念しか理解できないと考えています。この記事では、天文学者、科学哲学者、科学史家を含む 5 人の学者が、宇宙が無限であるかどうかについて独自の意見を述べています。

ノール・ギラニ

編集：Tian Fang

宇宙が膨張していることはすでにわかっていますが、近年の研究では、その膨張率は予想よりもはるかに速いことがわかりました。

望遠鏡や衛星技術の大きな進歩にもかかわらず、いわゆる観測可能な宇宙を超えて、私たちの視界をはるかに超えたものが宇宙にはまだたくさんあると考えられています。

これはまた、宇宙全体の形状がどのようなものかまだわかっていないことを意味します。宇宙は閉じた宇宙の「ドーナツ」なのか、無限に広がる一枚の紙のように広がる平面なのか、それとも常に膨張している巨大な球体なのか。

宇宙学者は、ドーナツを、端や頂点のないリング状の構造とよく言います。サイクルは非常に重要な数学的構造です。

科学者たちは宇宙がどこで終わるのか、そして宇宙の底がどのような場所なのかを知りたいと考えています。彼らは宇宙の運命をどう見ているのか、宇宙は永遠に拡大し続けるのだろうか？私たちは5人の科学者にインタビューしましたが、まだ決定的な結論は出ていないようです。

彼らの答えは次のとおりです。

アンナ・ムーア（オーストラリア国立大学宇宙研究所教授、天文学者）：多分

一言で言えば、「宇宙が有限であるかどうかは分からない」ということです。観測可能な宇宙、つまり私たちがはっきりと見て測定できる部分は、138億年前のビッグバンで始まったことが分かっています。したがって、宇宙の年齢は有限であり、少なくともビッグバンから数えることができることがわかります。しかし、宇宙は今、さらに大きくなっています。宇宙はビッグバン以来あらゆる方向に拡大し続けており、現在も拡大を続けています（最近ではその速度はますます速くなっています）。

宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれるビッグバンからの残留放射線は、より小さく、より高温で、より高密度の宇宙の最も初期の姿を表している。初期の画像から、最大規模の宇宙の形状（または幾何学）を理解することができます。これを知ることは、宇宙が無限なのか有限なのかを理解する上で非常に重要です。

衛星による検出結果によると、宇宙は平坦な幾何学的形状をしていることが示されています。平坦な宇宙では、宇宙空間に並んで発射された 2 本の光線は常に平行のままであり、交差したり離れたりすることはありません。この観点からすると、円筒形またはトーラス（ドーナツ）形の宇宙は依然として「平坦」であると考えることができます。

現在の検出技術は、宇宙の平面形状が一枚の紙、円筒、トーラス、あるいは 2 本の光線が並行して通過できるその他の構造で表現できるかどうかを判断できるほど正確ではありません。無限の宇宙は、一枚の紙のように平らな幾何学的形状をしており、永遠に伸びて、私たち自身の無限のバージョンなど、あらゆる可能性を含んでいるのかもしれません。一方、ドーナツ型の宇宙は閉じているため、有限でなければなりません。しかし、今日まで、私たちは宇宙の形や大きさをまだ知りません。

サラ・ウェッブ（スウィンバーン工科大学天体物理学博士課程学生）：はい。

私は宇宙は無限であると信じています。宇宙はビッグバンから始まったことがわかっています。観測から、それがどこで発生したかはまだわかりませんが、ビッグバンは起こりました。あなたが宇宙のどこにいようと（天の川銀河であろうと遠く離れようと）、宇宙はあなたを中心としてあらゆる方向に広がっています。現在、宇宙の年齢は約 138 億年であると計算されており、これは宇宙が大きく膨張してきたことを意味します。論理的に考えると、宇宙の半径は 138 億光年と推定できるのではないでしょうか?

しかし、観測可能な宇宙の半径は実際には 460 億光年であり、これは私たちが目にできる最初の光 (ビッグバンから 38 万年後) が 460 億光年の距離から来たことを意味します。これはいわゆる「急速なインフレ」によるものです。しかし、観測可能な宇宙の端が実際の宇宙の端であると考える理由はありません。

私たちは、物が球体、立方体、円錐体などの三次元形状を持つと考える傾向があります。宇宙は無限に広がる球体として想像することができます。あるいは、閉じたシステム（ドーナツ）になるような形で曲がることもあり、その場合、直線で十分遠くまで航行しても、最終的には出発点に戻ることになります。宇宙は有限なのです。

しかし、私は別の可能性、つまりビッグバン後のインフレーションを支持する傾向がある。ある理論によれば、インフレーションは実は永遠のインフレーションであり、つまり常にあちこちで起こっており、宇宙を無限にしているという。これには、量子ゆらぎや多元宇宙といった想像を絶する理論についての徹底的な研究が必要です。 SFファンとして、それが真実であることを願わずにはいられないでしょう。

タニヤ・ヒル（メルボルン大学名誉研究員、ビクトリア博物館上級学芸員、天文学者）：はい。

私たちが見ることができる宇宙は有限です。観測可能な宇宙は有限であり、永遠に存在するわけではありません。それは私たちの周囲 460 億光年まで広がっています (ただし、私たちの宇宙は 138 億歳であり、膨張しているため、観測可能な宇宙ははるかに大きくなります)。

観測可能な宇宙は私たちを中心にしています。遠くの銀河系に住むエイリアンも、自分たちを中心とした観測可能な宇宙を持っている可能性がある。これらの異なる中心における観測可能な宇宙にはある程度の重複があるかもしれませんが、私たちが見ることができない領域が必然的に存在します。したがって、私たちは宇宙全体を見ることができないので、宇宙が有限であるかどうかを言うことは不可能です。代わりに、私たちは宇宙の形を探求することで問題に取り組みました。私たちは宇宙全体の形を知りませんが、私たちを中心とした宇宙の部分は平らであることは知っています。これは、巡航制御下で平行に飛行する 2 つのロケットが常に平行のままであることを意味します。空間は曲がっていないので、ロケットは互いを通り過ぎたり離れたりすることはできません。

平坦な宇宙は、永遠に伸びる二次元紙のように、無限である可能性があります。しかし、一枚の紙で円筒を作り、両端をつなげてドーナツを作るような、有限のものになる可能性もあります。それが問題なのです。

さらに、宇宙が曲がっている可能性は数多くありますが、私たちは平坦な領域に住んでいます。これは非常に特殊な状況であり、「インフレーション」の理論を使用して説明します。インフレーションとは、宇宙がごく初期に短期間で急速に膨張することであり、これによって宇宙のあらゆるねじれや湾曲が説明されます。インフレーション段階の後、宇宙は今日私たちが目にしているような形になりました。しかし、インフレーションは私たちの宇宙を超えた影響を及ぼす可能性があります。おそらくそれは他の場所でも起こっており、今まさに起こっているのです。そうなると、宇宙全体、あるいは多元宇宙はどれほどの大きさになるのでしょうか?私にとって、それは有限の宇宙よりも無限の宇宙を想像する方が簡単であるという可能性を開きます。

サム・バロン（オーストラリアカトリック大学准教授、科学哲学者）：いいえ。

宇宙は無限であると仮定する従来の見解がありますが、これは間違っていると思います。それは次のようになります: 宇宙が有限であるならば、境界があるはずです。しかし、宇宙船に乗って遠い宇宙の奥深くまで行き、宇宙の境界を発見したと想像してみてください。それは信じられないことですが、境界線はどのようになるのでしょうか?したがって、宇宙は永遠に続くはずです。

しかし、スペースが制限される方法は他にもあります。それは、宇宙のドーナツのように、空間的には有限だが境界のないトーラスである可能性があります。もし宇宙がドーナツ型であれば、宇宙が有限であるかどうかを確認するための非常に科学的なテストが存在します。

非常に遠くにある反射面に光線を向けるとします。反射面が滑らかでない場合、光は複数の方向に反射されます。宇宙がドーナツ型であれば、反射光は宇宙の形に沿って徐々に曲がり、最終的には戻って交差します（下の図を参照）。これは有限の宇宙という条件下でのみ起こります。無限の宇宙では、光は無限に伝播します。

今度は、光線が交差する場所に立っていると想像してください。振り返ってみると、光を反射した物体が見えます。反対方向に向くと、同じ物体が見えますが、光は異なる角度から来ています。反射が遠くの惑星である場合、同じ惑星を 2 回見ることができます。科学者たちは、ビッグバンの名残である薄暗い輝きの中にこの鏡の回廊効果を探し始めました。それは宇宙の大きさと形状の証拠となるかもしれない。まだ決定的な結論は出ていないが、人類が探求を続けるにつれ、何が発見できるかは誰にも分からない。

空間が有限であるかどうかを確認するテスト: 物体から光が反射すると、その反射が 2 回見られます。すると、私たちが住んでいる空間はおそらく有限で曲がっていることになります。

ケビン・オーマン・ロシター（メルボルン大学科学史・科学哲学博士課程）: いいえ

「無限」を考えるとき、私たちは通常、境界がないもの、または終わりのないものを意味します。宇宙は有限であるというのが私の見解です。この点を証明するために、宇宙は無限であると仮定してみましょう。非常に単純な例としては、宇宙船に乗って任意の方向に出発し、境界に到達しないというものがあります。しかし、この実験には問題があります。「もう少し先」に境界がないことを確認するために、無限の時間飛行する必要があるかもしれません。また、どのくらいの速度で移動するかは問題ではありません。空の宇宙は無限であるという仮説を証明するためには、私の旅は無限である必要があります。明らかに、現時点ではそのような実験に資金を提供する機関は多くありません。

これは、宇宙が無限であることを証明するためには、直接的な実験ではなく観察を利用しなければならないことを示唆しています。過去 1 世紀にわたって、私たちは観測を通じて宇宙について多くのことを学んできました。宇宙が約138億年前に誕生したことはわかっています。観測から宇宙が膨張していることもわかっています。我々は、ビッグバンの名残であると考えられるマイクロ波背景放射を検出しました。私たちが現在見ている宇宙は、ゆっくりと拡大している銀河の網です。

宇宙論における重要な疑問は、この膨張が続くのか、速度が変化するのか、あるいは逆転できるのか、ということです。この質問に答えるには、暗黒物質と暗黒エネルギーの特性を理解する必要があります。

興味深い点は、宇宙のモデルに関係なく（ここでも非常に重要な欠落部分が残っています）、現在の宇宙論の考え方では、宇宙には終わりがあり、永遠に存在することはないということです。宇宙の時間的存在は有限であり、私の主張に戻ると、ある段階で私たちの宇宙旅行は終わるべきだと私は考えています。

参考文献

1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html

2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or- flat-20191104

3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967

4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html

5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854

6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/

7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmology-century

宇宙の70％以上は、暗黒物質よりもさらに奇妙な謎の物質である暗黒エネルギーでできている。