ホーキング、宇宙のすべてを語る/スティーブン・ホーキング、レナード・ムロディナウ共著

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スティーブンホーキング宇宙のすべてを語る

「ホーキング、宇宙のすべてを語る」 
原題「A briefer history of time]
スティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)、レナード・ムロディナウ(Leonard Mlodinow)共著
佐藤勝彦訳 ランダムハウス講談社新刊

 ホーキングは20年前「宇宙を語る」を上梓、世界中の言語に翻訳され、大人はもとより子供にまで愛読され、宇宙の神秘を伝えた。 原題の「Briefer」には「説明をする人」との意味もあるが、ここでは比較級に使われ、「より簡単な、簡潔な」との意味で使われている。 なお、ホーキングは現時点で存命中の最も有名な天文物理学者である。

 書店で本書を目にしたときは「二番煎じ」ではないかとの疑いはあったものの、生来、この手の本に興奮を抑えきれないタイプ、迷うことなく入手した。

 このブログですでに4冊の宇宙に関する書評(本書の訳者の著作を含め)をしているが、それでいながら柔軟性を失いつつある頭脳にとっては理解するのも記憶するのも至難の業、「読んだ」という満足感だけが心に残る。本書に登場する専門用語についてもそれぞれ既知であるはずがそのような意識はなく、あらためて天文学の書籍に立ち向かっているという、いわば胸にきゅんとするものを覚えつつ読み進んだ。

 (今後も、宇宙に関する書籍には怖いもの知らずのまま手を出し、ブログで紹介するだろう)。

 前書との違いはアインシュタインの相対性理論についての詳述は減らし、ハイデルベルグ、シュレディンガー、ディラックらの量子論、量子力学、ハイデルベルグの不確定性原理などのほか「ひも理論」などに比重をかけ、それら新しい理論に関する説明に重点を置いている。

 本書を通じて一環して思い知らされたことは、地球は宇宙に一億以上存在する銀河(銀河団)のなかの一つに過ぎないこと。そして、「天の川銀河」のごく端に存在する、恒星としてはごくありふれた平均的な質量をもつ太陽が支配する太陽系の惑星の一つにすぎず、宇宙自体は地球上で絶え間なく起こっている宗教紛争、地域紛争、自然災害、社会生活、企業活動などとはまったく無関係に、膨張を加速度的に継続している事実、と同時に、いずれ膨張が止まり、収縮へと転換する可能性はありはするが、いずれにしても全く無関心な動きをしていること。「われわれはなぜここにいるのか」、「なぜわれわれや宇宙は存在するのか」という永遠の疑問にあらためて回帰することになった。

 宇宙のことがある程度明確になってきたのはここ100年くらいのことで、ごく僅かの、好奇心に満ちた科学者の努力によって少しずつ明らかにされ、ときに思いがけぬ提案、主張がなされ、ときに混乱を生み、ときに大きな誤解を生み、ときに偶然による発見もあり、うまく証明もされて、この間、多くの未知が既知となった。

 天の川銀河の端に位置する地球からわれわれの一般的な観念や知覚をはるかに超えた、あまりに遠隔に存在する恒星や惑星について解明し、また解明しつつある人間の頭脳の冴えにあらためて敬意と畏敬を覚える。

 われわれの住む地球ですら、休むことなく自転、公転を、月や太陽や他の惑星との重力のはざまのなかで継続していることだけでも、普段そういうことはほとんど意識しないで生活しているからかも知れないが、考えれば考えるほど、平凡だが「すごいな」と思い、心が打ちひしがれる。 地球が常に静止することなく動いていることを意識することには意味があるだろうと思うからだ。地球に月という衛星がなかったら、地球の回転速度は月の引力がなくなるわけで、自転、公転ともに速度が上がり、一日の長さも一年間の長さも激変するはず。

  そのことはまた、自転と公転をくりかえす地球上に冠雪地帯と熱帯雨林地帯を誕生させ、日本のように北半球の適切な場所に存在する土地に四季を与えたりもするが、、ときに火山が噴火したり、大地震が起きたり、ハリケーンが襲ったり、津波が広範囲を襲ったり、大きな竜巻が大樹や家を根こそぎ吹き飛ばしたり、落雷があったり、家が濁流に飲まれたり、そうした経験や他地域の悲惨を見る機会になるだろう。

 「地球は生き物」であり、地球の内部にはマグマが存在し、「荒らぶる地球」という言葉を忘れていけない。

 いずれ、地球は氷河期に入り、そのころには人類は絶滅しているだろうが、宇宙そのものの生成過程で、地球、あるいは太陽系惑星を襲うあらゆる自然災害、障害にも、宇宙は関心を示さないということだけは知っていたほうがいい気がする。地球は宇宙の孤独で微細な一部でしかないことを。

 それにしても、この宇宙の広大さと微小さとが混合した世界、相対性理論の制する世界と量子力学とが支配する世界、それは我々の安易な想像を超えている。

 ホーキングが本書のなかで「神」という言葉を30回以上使っているが、そのことは「創造主」を想定することで、宇宙はより簡明に理解できることを示唆しているのか、あるいは人類には結局のところ宇宙のすべてを理解することは今後ともできないと予測しているのか、微妙なところだ。

 ホーキングはいう「宇宙には何らかの究極の理論があるはずだ」と。「空間が2次元だったら、複雑な生命は誕生もしないし、進化もしない。血液の循環だって、うまくいかない」と。

 ニュートンの万有引力はよく理解できる。アインシュタインの相対性理論もようやく解ってきた。しかし、量子力学の理解にはまだ頭痛が伴う。 

 以下は、私個人のボケつつある頭脳に再度インプットすることで、天文学の話に固執しようとする個人的な、いわば「メモランダム」。読んでも読まなくても結構だが、正直いって、天文学に興味も関心もない人には解りにくいかも知れない。

1.広島に落とされた原爆について:エネルギーに転換できる物質の質量はたった30グラム以下だった。

2.地球と太陽との距離は光で8分。

3.夜空に肉眼で捉えられる恒星は約5000個、すべての恒星のうちの0.0001%。 ちなみに、我々の肉眼に見える星のうち、恒星でない星は、太陽系の金星、火星、木星、土星。

4.地球から最も近い距離に存在する恒星は同じ天の川銀河にあるケンタウルス座のプロキシマ星で、約4光年、38兆キロメートルに相当。他の恒星のほとんどは数百光年の距離に存在する。(桁が大きすぎて、即座にはピンとこない)。

5.太陽系は天の川銀河に属し、銀河は直径10万光年の帯状で、ゆっくり回転している。その腕の部分にある恒星は数億年をかけて一周する。帯状であることは円盤状の集合体であり、渦巻き銀河であることを示している。 地球が属する太陽系惑星は渦巻きの腕の一つの内側の縁近くにある。 太陽は極めて平均的なサイズの黄色い星。(太陽系が天の川銀河を一周するあいだに、人類は死滅しているだろう)。

6.ハッブルは宇宙に多くの銀河が存在することを1924年に「絶対光度」を用いて示し、いまでは1千億以上の銀河が確認されている。

7.恒星には色々なタイプがある。 恒星はスペクトルを放っているので、色を分析することで、それぞれの温度と大気組成が判る。

8.スペクトルによる調査で、恒星によっては欠落した色があり、他の銀河の恒星の場合、欠落した色はすべてスペクトル上、赤の方に等しい割合で偏っている。ドップラーの発見した「赤方偏移」。

9.赤方偏移は遠ざかっていることを示し、青方偏移なら近づいていることを示すが、調査はすべての星が赤方偏移で、宇宙が膨張していることを示している。1929年に、この事実が発表され、宇宙の静止状態を想定していた科学者を仰天させた。

10.宇宙には静止状態はありえず、膨張か収縮か、いずれかの状態であるとの認識。それは地球から見ても、またどの銀河のどの星から見ても、宇宙が現在膨張していることが確認できる。ロシアのフリードマンは相対性理論を素直に演繹すれば、宇宙には膨張か収縮しかありえぬことをすでに主張していて、現在の宇宙は中心のない、ふくらむ風船のように膨張し続け、星々は互いに離れている。

11.膨張は10億年に5-10%の率で膨張している一方で、宇宙の平均密度は不確実であり、恒星をすべて足しても、その質量では宇宙の膨張を止めることは不可能。 最近では、膨張は加速されているとの説も出てきた。

12.「暗黒物質」の存在を想定。「暗黒エネルギー」という仮説はアインシュタインが取り消した「宇宙項」、「反動効果」を意味しているのではないか。宇宙は「正」の膨張と「負」の収縮の性質をもっているのではないか。 また、宇宙に散るニュートリノ(素粒子)に質量があるのか否かも大きな問題。

13.マイクロ波の宇宙背景放射。「ゆらぎ」の問題。

14.宇宙の始まりは全体が半径ゼロの球、ゼロサイズの一点に押しつぶされていた。密度と時空のゆがみは無限。これが「ビッグバン」と呼ばれる瞬間であり、そのときの宇宙は無限に熱かった。

15.ビッグバン以後、宇宙は放射によって徐々に温度低下をきたす。高温時、粒子は速い速度で運動し、核力や電磁力といった粒子間に働く引力から自由だった。温度が下がるにしたがい、粒子は互いの引力で引き合い、凝集を始める。

16.ギリシャ語の「アトム」は「これ以上は分割できない」という意味だが、原子は実際にはより小さな電子、陽子、中性子という粒子からつくられている。陽子と中性子もまたクウォークと呼ぶさらに小さな粒子からできている。これら素粒子はそれぞれ対応する反粒子が存在し、互いの属性は反対になっている。

17.光は光子と呼ばれる質量のないタイプの粒子。地球にとって太陽という「核融合炉」は光子とニュートリノの供給源。

18.宇宙の進化: ビッグバンの1秒後、膨張効果で温度は摂氏約100億度(太陽の中心温度の千倍)に下がる。100秒後、10億度(最も熱い恒星の中心温度と同じレベル)に下がり、陽子と中性子は結合して重水素の原子核をつくり、さらに二つの陽子と二つの中性子からなるヘリウム原子核、リチウム、べリリゥムとなる。

19.ガモフは宇宙初期の名残としての光の放射が光子の形で現在も宇宙空間に存在しているはずと主張。光の放射熱は絶対零度(マイナス273度)よりほんの数度高いレベルにまで下がっているだろうと予測した。

20.スタロビンスキーや佐藤勝彦(本書の訳者)はかねて加速度的膨張、「インフレーション理論」を唱え、1秒よりはるかに短い時間に宇宙半径は1のあとに0が30個つくほど拡大し、密度もゆらぎも、この膨張で抑止されるといった。説によれば、以後、宇宙は膨張と冷却を続け、収縮するケースも起こり、物質を引き込むことでこの領域に回転運動がはじまる。回転するところは渦巻き銀河となり、そうでないところでは楕円銀河となる。

 銀河内の水素ガスとヘリウムガスは引きちぎられて小さな分子雲となり、みずからの重力で収縮する。そして、これらのガスが収縮し、ガス内の原子が互いに衝突するにつれガス温度は上昇、最終的に核融合反応が起こるほど高温となって、恒星が誕生する。 融合時、水素がヘリウムへと転換、星の輝きのもととなる。

21.恒星は質量が大きいほど多くの燃料を使い、融合反応が早く進み、短命。一方、太陽は今後も50億年は輝く燃料をもっている。

22.星が終わるとき、重力が勝り、収縮をはじめる。原子が押し合い、再び熱くなって、ヘリウムは核融合反応を起こし、炭素や酸素など質量の大きな元素に転換。鉄の元素が星の中心にたまったとき重大な局面を迎える。重力崩壊してブラックホールのような高密度の状態となる。

23.「ブラックホール」は1969年、アメリカのジョン・ホイラーがつくった言葉。充分な質量と密度のある恒星は非常に強力な重量場をもつので、光といえどもこの星から逃げだせない。これらの空間内の黒い欠落部分を「ブラックホール」と呼ぶ。

 ブラックホールは稀で特異な天体ではなく、ハッブル宇宙望遠鏡のように可視光ではなく、エックス線、ガンマ線で観測すると、ごくありふれた存在であることがかわる。一つの人工衛星が天空のほんの狭い領域に1500ものブラックホールを発見している。天の川銀河の中心にも、太陽の百万倍以上の質量をもつブラックホールが存在することも発見されている。

24.大質量の星が崩壊するとき、超新星爆発と呼ばれる、ものすごい爆発で星自体も外部領域も吹き飛ばされる。 例としては、カニ星雲の超新星爆発(1054年に中国で観測された)は、5千光年も離れているのに、夜間に読書ができたという。

25.超新星が地球から近いところで起これば、ただではすまない。地上の全生物を殺してしまうほどの放射熱を放つ可能性がある。200万年前、更新世と鮮新世の海洋生物の大量絶滅はサソリ座、ケンタウルス座連合体と呼ばれる近くの星団で起きた超新星からの宇宙線によって引き起こされたという学説がある。

 超新星爆発は毎日宇宙のどこかで起きている。どの領域でも、最低、1世紀に1度の割合で起きている。

 超新星からは重元素が銀河内に放出され、これらが次世代の星のための原料の一部となる。重元素とは窒素、酸素、炭素をいう。 地球も太陽系が生まれるまえに起こっている超新星からの放出物や破片を含んでいる。

26.生まれたての地球は熱く、大気はなく、温度が下がるにつれて岩石から放出されるガスから大気が生まれた。酸素はなく、硫化水素などの有害な毒を大量に含んでいた。原始形の生物はなんらかの物質をベースに誕生、与えられた環境下で生を全うすべく努力し、大方は失敗して消えたが、なかに自己増殖に成功するものが現れた。

 太陽も、これら炭素、窒素、酸素などの重元素を2%ほど含んでいる。太陽はおよそ50億年前に、それ以前に起こった超新星の放出物を含む、回転するガス雲から二世代目、三世代目の星として形成された。雲にある大半のガスは太陽を形成したり、一部は遠くへ吹き飛ばされたが、重元素の一部は互いに集まり、地球のように太陽の周りをまわる天体(惑星)となった。

 人間にとって貴重な金、原子炉に使うウランなどは、ともに太陽系が生まれるまえに起こった超新星の破片、放出品である。

27.ハイゼルベルグの「不確定性原理」(1926年)では、科学を用いても未来を予測する私たちの能力にはそもそも限界があるという。この原理は物質世界の根源的で逃れられない特徴を表しておいり、物質世界を認識する方法に対して深遠な意味をもっている。それから70年以上経ったいまでも、その意味は多くの科学者には完全には理解されていず、論争の種であり続けている。

28.1900年、ドイツ人のマックス・プランクは可視光、エックス線、その他の電磁波は、「量子」と呼ぶバラバラなかたまりとしてのみ放たれると提唱。 黒体放射に関する問題を新たに投げかけた。

29.ハイゼンベルグ、アーウィン、シュレディンガー、ポール・ディラック等は1920年にニュートン力学を再編、不確定性原理に基づく「量子力学」と呼ばれる新しい理論を提唱した。

 アインシュタインのノーベル賞受賞は「量子論」への貢献によってだが、彼は宇宙が偶然性によって支配されているとは考えなかった。そのことは「神はサイコロを投げない」という彼の言葉に集約されている。

30.アメリカ人のリチャード・ファインマンは波と粒子の二元性を説く。これを「経歴総和法」とも「経路積分法」ともいう。波のサイズ(振幅)と波の位置(位相)。分子の構造と分子同士の反応は科学と生物学の基礎。

 この時点では、まだだれも考えついていないが、「量子重力理論」では量子論をファインマンの経路積分法で定式化すると、重力場は曲がった時空によって表される。そうすると、粒子の歴史が宇宙全体の歴史を表す曲がった全時空に対応できる。

 量子論では、時空が有限で、同時に境界が特異点ではないことが可能。時空は地球の表面のようなもので、さらにそれに二次元を追加しただけのもの、四次元、となり、宇宙は完全に自己完結的だということになる。

31.相対性理論では未来にジャンプすることは可能であり、あとは工学、つまりテクノロジーの問題となる。タイムマシン、タイムトラベルの可能性。

32.粒子加速器での実験では、光速の99.99%までは実現できるが、光速を超えることはできなかった。アインシュタインとネイサン・ローゼンが1935年の論文で「ブリッジ」と呼ぶ「ワームホール」の存在を示唆。正のエネルギーに対する負のエネルギーの提案。馬の鞍のような形の「負の曲率」をもつ時空領域を想定することで、目的とする地点までショートカットする道が発見できる。

33.1976年、「超重力理論」が提唱されたが、無限大が打ち消しあわずに残るかどうかを知るためには膨大な計算を要するため、いまだに解答が出ていない。

34.1984年、「ひも理論」が誕生。素粒子が「点粒子」、つまり空間の一部にだけ存在すると考えられていたものを、物体は点粒子ではなく、無限に細いひもの一部のようなものと考える。

 従来の粒子理論では、太陽の地球に対する重力は重力子と呼ばれる力を運ぶ粒子を太陽内の物質粒子が放出し、地球の物質粒子がそれを吸収すると説明。「ひも理論」では、この過程はH型チューブあるいはパイプと対応。陽子や中性子のような粒子を、ひものような波とみなすことができるというアイディア。粒子間の強い力はクモの巣のようにひもの間をつなぐ一本のひもにあたる。

 「ひも理論」は時空が通常の4次元ではなく10次元あるいは26次元の場合のみ成立する。これを「余剰次元」というが、私たちにはなじみがなさすぎて、気づかない。非常に小さいサイズにまで曲げられ、あまりに小さいため気づかないという。

35.アメリカ人で初めてノーベル賞をとったのは1887年、アルバート・マイケルソン。「エーテル理論」の延長線上での実験を行い、以後、1905年にアインシュタインが「絶対時間」という観念を放棄すればエーテルそのものが不必要になることを指摘するまで、多くの科学者に無駄な努力をさせた。

36.「光の速度はどんな速さで動いている観測者にとっても同じである」というアインシュタインの説は人間の直観に反するのみならず、時間の概念をも変えねばならない。これが時間と空間との一体化、すなわち「時空」と呼ばれる形の容認であり、この発見はアインシュタインの直観であり、天賦の才能というしかない。

 「質量とエネルギーとの等価性」の発見もアインシュタインだが、物体の速度は光速を超えることも、同速になることもありえない。固有の質量をもたぬ波だけが光の速度で動き得る。

 重力場では時空でさえ曲がることの発見。 質量の大きな物体の近くでは時間がより緩慢に流れるように見える。慣性質量と重力質量との等価性の発見は人類の思考の歴史において絶え間なく進んでいる論理的探求の比類なき例である。「時空が大質量に接近すると曲がる」ことは、すでに証明されている。

 本投稿は、書評というよりは私個人の備忘録という体裁になってしまった。


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