宇宙の謎(平易説明編その2)

みなさまこんばんは。
いろいろ忙しく、また大事な時ですので、あまり時間は取れませんが、
思いのたけをパっと文章にするのは心身にはよいようです。
私の場合は、機関銃のような恐ろしいほどのスピードでPCをたたくんです。
私の持論ですが、こねくり回した文章よりも頭にあるものを一気に文章にする方が迫力があり影響力の大きい文になりますね。

さて、その1では宇宙の謎の基本のところを共有していただいたと思います。
次はその上のレベルへ行くというよりも、焦らず気負わず、もう一つ別の基本の話をご紹介したいと思います。
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前回は、宇宙は「無限、永遠、静」の世界ではなく、「有限、生と死、動」の世界であることがおわかりいただけたと思います。
もし宇宙が「無限、永遠、静」の世界であり、宇宙全体を支配する法則が我々の実世界で把握している法則と何ら変わりないのなら、それほど悩むこともないでしょう。

ところが宇宙は、無から爆発により生まれ、膨張しているのです。
となると、宇宙とは一体何なのだという問いに対し、宇宙の中に存在する法則だけで解明するのは無理です。
宇宙というものをもう一段、あるいは二段高い所まで登って客観的に観察するような見方が必要です。

喩えれば、ある会社が興きたとして、その会社がどんどん成長して行くとします。
その会社の発生や成長の仕組みは会社の中の理屈だけでは論じられません。
会社ができた時の様々な環境や経済の枠組み、その他様々の枠組みやファクターや法則のもとに会社は動いていきます。

要するに、宇宙の中のごく小さな一角でのみ生きてきた人間が、そこで培った物理学のみで宇宙の誕生や膨張の仕組みを論ずることはできません。
我々の宇宙を鳥瞰して、宇宙も何もかもを包含し支配し統一する新しい(注:我々にとっては新しいですが、神様は最初から知っていたという意味です)理論を構築する必要があります。

それが結局最終的には「10次元空間と超ひも理論」ということになって行くのですが、今回の平易説明編では、そこに一気に飛ぶ前に、「有限、生と死、動」という宇宙世界の理解にとって重要なファクターである「空間の理解」から始めましょう。
さあ一緒に学んでまいりましょう。

今日は謎の解明とか10次元のこととかよりも、空間とは一体何なのかについて、相対性理論を紹介しながら楽しく紹介したいと思います。
「空間」という極めて重要な概念をしっかり持っていただくことが今日のゴールです。

まず物理学の古典の話をします。
例のりんごが落ちるのを見て万有引力の法則を見出したニュートンの功績を思い出しましょう。
いかなる物体の間にも引力が働くというのが万有引力の法則です。
その他、慣性の法則とか、作用反作用とか、加速度と力の関係など、重要な物理法則を体系的にまとめたのがニュートン力学です。
高校までに習う物理もニュートン力学が中心です。
人間が住む世界のほとんどのことはニュートン力学で説明でき、惑星の運動などの天文学もニュートン力学で説明できてきました。
しかしです。宇宙の研究が進んでくるとニュートン力学では説明できないことが出始めました。
そして、宇宙全体の話をすればするほど、宇宙の基本の話をすればするほど、ニュートン力学では全く説明できなくなってきました。
その理由は、次のような2点によるものでした。
1.ニュートン力学では「空間」を扱わなかった。
2.ニュートン力学では物、時間、空間を別々に捉え、そして時間を絶対的な物と考えていた。
(注: この時点では1と2の意味するところの深い理解は不要です。
宇宙の根源的な謎を解くには、物が光の速さに近づくようなすごく速い領域を扱う必要があり、それにはニュートン力学は通用しなくなります。
日常世界のように物が光よりもずっと遅い世界では、まだまだニュートン力学は有用です。)

そこで颯爽と現れたのが「相対性理論」でした。
相対性理論は新しい理論ですので、ニュートン力学は「古典力学」と呼ばれることもあります。

20世紀になってすぐにドイツ系ユダヤ人アルバート・アインシュタインにより提唱されたのが「相対性理論」です。
当時としてはあまりに奇抜な理論だったため、しばらくはそれが正しいのか間違いなのかさえ誰にもわかりませんでした。
自分の存在を客観視する素晴らしい理論です。

ニュートン力学では時間というものはどんな場所でも一定に進む「絶対的」なものと考えられてきました。
札幌でも東京でも名古屋でも大阪でも福岡でも、時間は全く同じように一斉に進んでいると思われがちです。
相対性理論はそれを否定します。
時間も含め全ての物理現象はそれを観察して初めて自覚できる、というのが相対性理論の大基本です。

具体的に言えば、時間は光を受け取ることにより自覚できます。
仮に、A地点から光が1秒かかって到達する所にB地点があるとします。
普通の我々の古典的な感覚ですと、AにもBにも正確な時計があり、時刻も同じです。
Aの時計が12時0分0秒にBに向け光が発せられるとしたら、Bの時計が12時0分1秒に光が届きます。

Bにいる人は、その光がAをいつ発したのかはわかりません(予備的な情報があるとかの非物理的情報は除きます)。
なぜなら、光より速いものはないため、光の到達以外に情報を伝達する手段がないからです。
ということは、Bの人にとってAでどのような時間が進行しているかなど無意味です。

よって時間は、光が到達したという「因果関係」によってのみ自覚できるのです。
専門的に言いますと、「絶対時間はなく時間は相対的にのみ存在する」となります。

ですから理屈の上で言うと、もし光と一緒に進む人がいたら(そんなこと実際にはありえませんが)、そこでは時間が進まないのです。
また、物の速度が光速に近づきますと、物において進む時間が遅くなり、物が縮んで見えます。
このあたりのお話は今日は省略させていただきます。

相対性理論の要諦を申しますと、時間、物、空間といったものは独立に用意されているのではなく、互いの因果関係により存在し、互いに影響を及ぼし合っている、と考えてください。
空間そのものも物や時間や力により形や次元を変える、とお考えください。

では空間の理解に移りましょう。
相対性理論や宇宙物理学で言う「空間」とは、私たちがよく使う「生活空間」などと基本的には同じです。
普通、空間と言えば、縦、横、高さの広がりですよね。
宇宙においても基本は縦、横、高さの3次元空間です。

でも、あくまで基本的なのであって、基本でない部分もあるのです。それが一体何なのか、が謎を解く足がかりなんです。
我々宇宙の3次元空間がただののっぺりしたものなのか、曲がっているのか、丸まっているのか、どこかでちょん切れているのか、3次元以上の枠がどっかにあるのか、を知る必要がある、というわけです。
そもそも空間目に見えないのに曲がっているもなにもないんじゃないの?という疑問が聞こえてきそうです。

そこでちょっと比喩です。
近代の学問を何も知らない人が地球上に住んでいるとして、そこは果てしもない真っ平な大地である。
その人にとっては地面は無限に平面と思っています。
でもずっと進んで行くと、地球は丸いですから、実際は弧を描くように曲がって行きます。
3次元空間が曲がるというのも、ほぼ似たこととお考えください。

3次元ですから、ジャングルジムのような枠(=空間)があり、ジムの支柱に沿って光が進むと考えてください。
光はじめあらゆる物体は、ジムの支柱の向きが「まっすぐ」と捉え進みます。
もしジャングルジムが永遠に同じ形で続いていれば光も巨視的に見てずっとまっすぐ進みますが、ジャングルジム自体が曲がっている(=空間が曲がっている)なら光は曲がります。
実際、非常に密度の高い銀河の重力の作用で「重力レンズ」と称して空間の曲がりにより光が曲がる現象が日食時に観察されます。
そしてそれは一般相対性理論で予言されたことでした。

ジャングルジムを大局的に見れば曲がっていて、ドーナツのように丸まって閉じているのか、あるいはうねっているのか。
これまでの研究では、この宇宙は(局部的な曲がりは別として)巨視的に見ればかなり理想的な真四角なジャングルジムの形で縦、横、高さ方向に伸びていることがわかってきました。
それはそれで謎なのです。人為的でなく自然に爆発でできた宇宙なんですから、そんなきれいな形に制御できるはずがありません。

そして、ジャングルジムは見たところは3次元ですが、細かく見ればもっと次元がいっぱいあることもわかってきました。
そしてさらには、全く別のジャングルジムも存在するだろう、と。

話は少し変わり、相対性理論のもたらしたもう一つ重要なことは、
物質とエネルギーは等価、だということ。

普通我々は物を燃やしたり化学変化を起こさせたりしてエネルギーを取り出します。
でもアインシュタインは、物そのものがエネルギーだ、と。というか、物とエネルギーはイコールだ、と。

物の動きをどんどん速めて光速に近くし、もはや光速になりますと物は存在しえなくなります。
なぜなら、光速は光のみで成し得るから。
だから物は光速に達しますと全てをエネルギーになって、物としては存在しなくなります。
それが実用的に利用されているのが核分裂(原発や原爆)なのです。

物とエネルギーの関係は、預金とキャッシュフローの関係に似ています。

まとめすと、相対性理論の言うところは、
空間、物、時間は互いに影響をし合って存在しうるものであることと、物とエネルギーは等価ということです。

これにより初めて、宇宙全体の量的なものや動きについて正しく解明されようとする礎になっているのが相対性理論といえます。

ただ、相対性理論をもってしても解明できない、ビッグバン前後における謎とか、なぜ素粒子や力は複数存在するのかの謎の解明を統一的に説明できる理論が求められているのです。
それが10次元と超ひも理論というわけです。
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ジャンル : 学問・文化・芸術

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No title

ST Rockerさん
こんばんは 運動会雨で残念でしたね(^_^;)
お疲れ様でした(^^)

今日のお話は ちょっと難しいですけど
昔 テレビで 架空のお話で 光と同じ速さで移動できる
宇宙船に乗って 地球を離れ 何日か後に
地球に帰ってきたら 世界の時間がかなり
すすんでいたなっていたなんていうのを 
見た事あります。 その時に光の速さで
移動すると 歳とらないんだぁと子供ながらに
思った事があります(^^)

時間ってなんだか不思議です 楽しいと短く 辛いと
長く感じるものです なんか私の中ではそれって
どうしてなんだろうと疑問に思うんですよね
時間が延びたり縮んだりしている訳でもないのに...
不思議に思うときりがないですね(笑)
本題からはかなり外れたコメントですよねすみません(^_^;)

mon mamaさん

こんばんは。
さっそくのコメントありがとうございました。
運動会の件ありがとうございます。
それはそれで役員さん方と話ができてよかったこともありますね。
mon mamaさんも小さい頃から科学的ことに関心あったのですね。いいですね。
うれしいこととうれしくないことで時間の感じ方が違う。
それこそが物理学の本質です。
「時間」という絶対的なものが存在するのではなく、時間とは何かによってもたらされる結果によってのみ知りうるというわけです。
そういう意味では、私はふつうの10代や20代の人の感覚よりも若いことを考えています。
一方で人のために一所懸命になったり新しいビジネスに躍起になるという「一応」年相応の責任も人一倍もっているつもりですが、それは時間が経ったからではなく、脳が知識として受け入れてそう判断しているからだと思います。

む~難しい…

今回のお話は私にはちと難しかったのですが
何度か読んでるうちに私の頭の中で混乱してる原因が
「『光』ってのがなんだか理解できてない」ってことみたいです

フツーに私が思ってる「光」っていうのと
なんだか違うみたいな感じがします
(そんなんでいつもつまずくのですが…)

っでお恥ずかしいのですが
「光」ってのがなにものなのか教えてください
(私が理解できるか分かりませんが…)

陽陽陽さん

こんばんは。
今回もまたコメントありがとうございます。
ご質問はごもっともだと思います。
相対論を学ぶに当たって「光」が随分キーのように論じられますので、「光とは一体何か」と思ってしまいます。
でも、今日の話においては実は光の意味はそれほど大きくありません。
「光より速いものはないので、光が届いたことで時間を知らせよう」というだけのことです。
仮に東京と大阪の間を光が届くのに1秒かかるとします。(本当はもっとずっと短いですが)
お互いにテレビ電話で自分の時計を見せ合い、自分の時計が12時きっかりの時に相手の時計が12時1秒過ぎに移ります。
お互いに「君の時計は1秒遅れているね」と言い合い矛盾が生じます。
お互いに12時きっかりという状態を共有することができません。
(光と電波の速度は一緒です。)
東京の人も大阪の人も共に同じく感じることのできる絶対的な時間はなく、お互いに光が届きたことによってのみ相手との時間を共有できる、というわけです。
これが相対性理論の本質です。
相対背理論は時間と光の関係だけでなく、もの、空間、時間すべてにおいて相対的にのみ存在しうると主張します。
ある人が、環境も他人も食べ物も関係なく存在するなんてありえず、すべてのものと影響しあいながら存在するのと同じことです。
いかがでしょうか?



No title

おはようございます♪

昨晩も訪れたんですが、寝ぼけた頭では????
朝すっきりした頭でもう一度、チャレンジです(笑)

相対性理論なんて言葉は知っていても
それがどういうことなのかさっぱりわかってませんでした(汗)
でも、今日はすこ~し理解できたかな(^_^;)

「絶対時間はなく時間は相対的にのみ存在する」この部分は感覚的にですが理解できました。

宇宙が「有限、生と死、動」の世界であるということも
感覚的にはわかった気がします。
当然地球もいつまでも、このままではないんですよね。
今、私たちが認識している宇宙も気の遠くなるような時間を経て変化していくんですね。

本当になんて気の遠くなるような話でしょう(^_^;)

そふぃーおばさんさん

こんばんは。
いつもありがとうございます。
二度も読んでいただけるなんて、とてもうれしいです。
そして相対性理論につき思いをはせていただけて光栄です。
おっしゃるように地球も含め全ては一定ではありませんね。
実社会のしんどいことを考えるだけでなく宇宙のことを考える時、とても深遠な気分になります。
これからも一緒に考えてまいりましょう。
プロフィール

ST Rocker

Author:ST Rocker
ビートルズ解析ブログへようこそ!
つくば-千葉-さいたま の三角形を行き来していますす。
モットー:理系なのに熱く音楽、政治・経済を語る。
酒と冒険と音楽をこの上なく愛し波乱万丈の人生を送るB型です。
ご気楽にコメントください。

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