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[宇宙の不思議・いのちの不思議] 


[宇宙の不思議・いのちの不思議] 第7号

第1章 宇宙の不思議

[1-5] 相対性理論

宇宙を語るときに避けて通れないのがアインシュタインの相対性理論です。宇宙における様々な現象を解析し推論する際の強力なツールになっているからです。

1.相対性理論とは?

(1)相対性理論は、1905年に発表された特殊相対性理論と1916年に発表された一般相対性理論の総称です。両者はいずれもアルベルト・アインシュタイン(1879~1955)が提唱した従来の常識を覆す画期的な物理学の理論です。

(2)光速度不変の原理と相対性原理を前提にして、空間、時間、物質、エネルギーの関連を規定しています。

(3)特殊相対性理論は、力が働いていない系(等速運動している慣性系)を扱い、一般相対性理論は、力や重力が加わっている系(加速度運動系)まで扱う理論です。


2.相対性理論のポイント

相対性理論の中の重要なポイントのみ超要約してご紹介します。

(1)光速度不変の法則

「光の速度は光源の運動状態に係わらず常に一定である。」(光速=C=約30万km/秒)

これを宇宙における基本的な法則であると捉え、これを大前提として相対性理論を構築しています。

例えば、光速Cで飛行するロケットに乗った人が、進行方向に向けてランプを点灯します。このときロケットに乗った人から見ても、地上で見ている人から見ても光速は同じC(光速)として見えます。今までの常識では、ロケットの速度Cと、光の速度Cが加算されて、地上から見る光はCの2倍の速度に見えそうですが、光の場合そうならないのです。(そのからくりは、次項の「空間の縮みと時間の遅れ」にあります。)

(2)高速で動くと空間が縮み時間が遅れる。

2つの系、例えば動いている人と、静止している人の座標系を考えます。静止している人から見ると、高速で動いている系の空間は縮小して見え、時間もゆっくり進むように見えます。
したがって光速に近い超高速ロケットで宇宙旅行して地球に戻った人は、地上で生活していた人よりも時間の経過が少ない分だけ若くなります。浦島太郎の逆バージョンです。
光の速度は光源の運動状態に係わらず常に一定であるとすると、高速で移動する系は必然的に、空間が縮み時間が遅れざるを得ないのです。

(3)物質の速度が増すと質量が増す。

ニュートン力学では、物質の質量は速度に無関係に常に一定だったのですが、相対性理論では、速度が増せば増すほど質量が増します。速度が光速度に近づくにつれて質量は限りなく大きくなっていきます。したがって物質を加速する場合、光速度に近づけば近づくほど加速するのに膨大なエネルギーが必要になり、そのエネルギーの大半は加速でなく質量増加に使われてしまいます。質量を持ついかなる物質も光速度まで加速することは不可能になります。

(4)物質とエネルギーは等価である。    

物質mとエネルギーEは等価でありその関係式は下記です。
E=mC2    
Cは光速です。C2はCの2乗と読み替えてください。(メールマガジンでは、2乗、3乗などのべき乗の上付き文字が普通の大きさと位置に変化してしまいます。)
係数が光速の2乗でとても大きな係数のため、わずかな物質mが巨大なエネルギーEに変換されます。1グラムの物質(1円玉1個)が石油20万リットルのエネルギーに相当します。
このことが原子力発電や、原爆、水爆などに応用されています。また太陽の中で起っている核融合反応も、この式に従った膨大なエネルギーを発生させて数十億年以上輝き続けることができます。

(5)重力によって時空間が歪む。

物質の周囲の空間は、物質の質量に応じて曲がり、歪みます。重力は時空間の歪みの結果であると、発想の大転換をしています。質量が大きければ大きいほど歪みが大きくなり、光さえ空間の歪みに応じて曲がって進みます。
そして重力が強くなるほど時間が遅れます。例えば、極度に大きな質量が集中するブラックホール近傍では重力が極めて強いので、時間がゆっくり流れ時計が遅れます。


3.相対性理論の身近な応用

自動車に搭載されている「カーナビ」にとって相対性理論は不可欠です。カーナビは「GPS」(全地球測位システム)を利用しています。GPSは地上2万kmを周回する27個の人工衛星群から構成されています。

カーナビはこの衛星からの電波を受信して現在位置を割出します。ところが衛星は超高速で移動するため、相対性理論により時計が遅れてしまい、そのままでは誤差が大きく使い物になりません。他にも誤差の要因がありそれらを相対性理論により補正することで正確な位置情報を計算しています。


4.ニュートン力学との関連

(1)相対性理論は、我々の直感と異なる部分が多いので理解し難い面が少なくありません。しかし、実際に宇宙の様々な現象を観測すると、多くの観測結果が相対性理論の計算結果とピタリと一致します。そして多くの科学者が相対性理論を認め、かつ積極的に応用しています。

(2)その結果、ニュートン力学の前提条件であった「絶対空間」(無限の過去から未来まで変わらずに存在し続ける静止空間)と「絶対時間」(無限の過去から未来まで何処においても一様に流れる時間)の概念は否定されることになりました。

(3)しかし、超高速や宇宙と関係のない地上の普通の機械や装置類は、現在でもほとんどニュートン力学で設計され製造されています。速度が光速に比べて十分小さく、また質量も巨大でなければ、実用上誤差が無視できるため、遥かに簡単で解かり易く便利であるからです。


5.相対性理論の問題点

(1)相対性理論は万能ではありません。素粒子などのミクロの世界では適用できません。

(2)またビッグバン理論によると、宇宙のはじまりは極微の1点から始まったことになっていますが、宇宙の大きさがゼロに近づくと計算結果が無限大になって発散してしまいます。
ブラックホールの中心でも、その大きさがゼロに近づくと計算結果が無限大になって発散してしまうため、中心部がどのようになっているのか解析することができません。

(3)なお、相対性理論は量子論と並び今日の物理学における最重要理論ですが、観測の影響を考慮していない理論であるため、現代物理学ではなく、古典物理学として分類されています。


[補足]

(1)アインシュタインは1916年に一般相対性理論を発表しました。その後、物質の重力(引力)と対抗する斥力(反発力)が必要と考えて、「アインシュタイン方程式」の中に、宇宙項(斥力の項)を付加しました。宇宙は一定の大きさに保たれていると考えていたからです。

(2)しかし、ハッブルらによる宇宙膨張の観測結果を見て1931年、自ら宇宙項を削除しました。ところがアインシュタインの死後、20世紀末になって、宇宙の「加速度的な膨張」が発見されたため、後世の物理学者によって宇宙項がまた復活されています。

(3)アインシュタイン方程式は、相対性理論から導かれ、空間-時間-質量-エネルギーの関係を表します。超々簡略化すると下記の形式になります。

   A項+B項+C項=D項

A項は空間の曲がり具合を表し、B項は時間の遅れ具合を表します。C項が宇宙項です。重力(引力)に対抗する斥力(反発力)を表しています。
D項は、物質の質量、エネルギーを示しています。


[私見]

理由は後に述べますが、私はアインシュタイン方程式にもう1項目、E項を付加する必要があるのではないかと考えています。E項は意識項です。強い「意識」が物質やエネルギーに作用を及ぼす可能性があるからです。


[トピックス!]

前号(3/13配信)の中で、「ビッグバン」に先立って先ず「インフレーション」と呼ばれる急激な宇宙空間の膨張が起こったと述べました。(5.宇宙のはじまり(1)項) 
この説は、1980年佐藤勝彦氏(自然科学研究機構長)や、米国アラン・グース氏によって別個に提唱された仮説です。

ところが、先週2014年3/17に、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターが、「インフレーション」の決定的な証拠を発見したと発表しました。南極における「宇宙マイクロ波背景放射」の観測と分析から、宇宙空間の急激な膨張時に発生した「重力波」を検出したというものです。今回の観測結果は十分な検証を重ねており、絶対の自信を持っていると言っており、確認されれば予言者や発見者にノーベル賞の可能性もありそうです。

なお、重力波は相対性理論によってその存在が予言されています。巨大な質量が動くと、空間の歪みが波となって周囲に拡がり「重力波」が生じます。
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by jiriki-tachikawa | 2014-03-27 00:05 | 不思議メールマガジン

[宇宙の不思議・いのちの不思議] 第6号


[宇宙の不思議・いのちの不思議] 第6号

第1章 宇宙の不思議

[1-4] 宇宙の姿

5.宇宙のはじまり

宇宙が時間の経過とともに膨張しているということは、逆に時間を遡って巻き戻していくと、宇宙はどんどん小さくなっていき、最初の宇宙の始まりは小さな1点に戻ることになります。

宇宙の年齢は138億歳と発表されています。(2013年3月。それ以前は137億歳と言われていました。)

「宇宙のはじまり」については次のような仮説が一般的になってきています。

(1)宇宙は極微の1点から始まった。始まると同時に、空間が瞬間的に急激に膨張した。この膨張は指数級数的に超高速で膨張した。この急激な宇宙空間の膨張を「インフレーション」と呼んでいます。(1980年 佐藤勝彦他による。)

(2)インフレーションが終了するにつれ、そのエネルギーが物質へ転化されて、物質の最小単位である「素粒子」が誕生しました。素粒子は超高速でバラバラに飛び回り、灼熱の超高温・超高密度状態になりました。そして膨張を続けました。これを「ビッグバン」と呼んでいます。(1948年ジョージ・ガモフによる。)

(3)それ以降、宇宙の膨張速度は、少し緩やかな膨張に転じました。そして宇宙の膨張が進むのにつれて温度が少しずつ下がり、素粒子が合体して陽子や中性子が誕生しました。

(4)核融合反応がはじまり、陽子(水素原子核)や中性子からヘリウム原子核やリチウム原子核が合成され始めました。(ただしこの段階では、電子が取り込まれていないので単なる原子核であり、「原子」ではありません。

(5)宇宙膨張により温度が更に下がり、電子が原子核に補足されて「原子」が誕生しました。水素原子やヘリウム原子などです。宇宙の始まりから38万年後と推測されています。

(6)宇宙には水素ガスとヘリウムガスが漂よっていましたが、ガスの分布にはムラがあったと考えられ、重力作用によって、このムラが少しずつ大きくなり密度の濃淡が成長していきました。

(7)ガスの濃い部分がさらに凝縮して「星の卵」(原始星)が生まれました。星の卵が更に成長して「ファーストスター」(第1世代の恒星)が誕生しました。宇宙誕生後3億年頃のことです。

(8)「ファーストスター」は核融合反応によって明るく輝き、膨大なエネルギーを周囲に放出します。しかし、核融合反応の原料である水素やヘリウムがなくなると、より重い元素が燃料として使われるようになりその結果、炭素、窒素、酸素、ケイ素や鉄など様々な元素が合成されて内部に溜まります。

(9)核融合反応が終わりに近づき「ファーストスター」が燃え尽きると、超新星爆発を起こして星の死を迎えます。その際、様々な元素や星の残骸を周囲の宇宙空間に散逸させます。

(10)軽い水素ガスとヘリウムガスだけだった宇宙空間に様々な重い元素が浮遊するようになり、それらを原材料にした第2世代以降の恒星や惑星が次々と誕生していくことになります。そして延々と繰り返されて5億年ほど経過すると銀河が形成され、さらに銀河団が形成されていきます。
太陽系の誕生は比較的新しく、宇宙誕生後91億年頃と考えられているようです。


6.元素の誕生

(1)地球には様々な元素が存在します。
軽い元素である水素、ヘリウム、リチウムまでは宇宙誕生時のビッグバンのときに生成されました。

(2)それより重い炭素、窒素、酸素、ケイ素や鉄などは、恒星内部の核融合反応によって生成されました。それらが宇宙空間に拡がることで、生命誕生の下地ができました。

(3)そして恒星の寿命が尽きて超新星爆発を起こす際に、爆発のエネルギーによって更に鉄、ニッケル、クロム、コバルトなどが生成されて宇宙空間に撒き散らされます。

(4)ただし、それらより重い金、銀、プラチナ、ウランなどの生成状況についてはまだ良く解かっていません。今のところ、超新星爆発の中心付近や、中性子星同士の衝突の際に生成されるのではないかと推測されているようです。


7.恒星の終焉

(1)恒星は、生まれるときの重さで一生が大きく変わります。すなわち、恒星の寿命や、最後の成り行きや形状は、生まれた時の重量で決まってしまうと考えられています。

(2)恒星の末期に核融合反応の材料(水素やヘリウムなど)が尽きると、圧力バランスが崩れてしまい、恒星は膨張して巨大化していきます。半径が元の数百倍以上に膨らむようです。そのため表面温度が低下して、外から見ると赤く見えるため「赤色巨星」と呼ばれます。

(3)太陽の8倍よりも軽い恒星の場合、比較的穏やかな死を迎えます。ガスを徐々に放出して最終的には中心部分だけが残り「白色矮星」と呼ばれる小さな星になります。そしてその周辺には、放出したガスが取り囲むように集まって、惑星状星雲と呼ばれる淡い星雲ができます。

(4)太陽の8倍よりも重い恒星の場合、超新星爆発を起こして壮絶な死を迎えます。この際、外層は吹き飛びますが、恒星の中心部分は重力崩壊を起こして超高密度な「中性子星」が残ります。

(5)太陽の25~30倍以上重い星の場合、中性子星ではなく、ブラックホールが形成されるようです。
ブラックホールについては、後の章で説明します。


なお、宇宙の始まりの直前は? 宇宙の最後は? については後の章であらためて触れる予定です。
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by jiriki-tachikawa | 2014-03-27 00:00 | 不思議メールマガジン

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