『ホーキング、宇宙を語る』（1988年刊行）は、科学理論の歴史と、今日の宇宙に対する私たちの理解を形作るアイデアの両方を探求する一冊です。ビッグバンやブラックホールから、宇宙で最も小さな粒子まで、ホーキング博士は宇宙の歴史とその背後にある複雑な科学を明快に概説します。初めてこれらの考えに触れる読者にも理解できるように書かれています。
この本で得られるものは？ 宇宙の秘密を解き明かそう。
星空ほど、人を惹きつけ、深く考えさせる光景はないでしょう。きらめく宇宙は、私たちに足を止めさせ、宇宙の最も深遠な謎について思いを巡らせるよう促します。『ホーキング、宇宙を語る』は、宇宙を支配する法則を解き明かすことで、これらの秘密を照らし出します。専門家ではない人にも理解しやすい言葉で書かれており、宇宙がなぜ存在するのか、どのように始まり、未来にどのような姿になるのかを理解する手助けをしてくれます。
また、ブラックホールのように、あらゆるもの（まあ、ほとんどすべて）を吸い込む奇妙な現象についても知ることができます。さらに、時間そのものの秘密も発見できるでしょう。「時間の進む速さは？」や「時間が前に進んでいるとなぜわかるのか？」といった疑問への答えが、ここにあります。この要約を読み終えた後、あなたは夜空を今までと同じようには見られなくなるでしょう。
過去の観測に基づく理論は、未来を予測するのに役立つ。
「重力理論」や「相対性理論」という言葉を聞いたことがあるでしょう。しかし、私たちが「理論」と言うとき、実際に何を意味するのか考えたことはありますか？理論とは、最も基本的な言葉で言えば、大規模な観測結果の集まりを正確に説明するモデルのことです。科学者は、例えば実験などでの観察からデータを収集し、それを使って現象がどのように、そしてなぜ起こるのかについての説明を発展させます。
例えば、アイザック・ニュートンは、リンゴが木から落ちる現象から惑星の動きまで、多くの現象を観察した後に重力理論を発展させました。彼は収集したデータを使い、重力を理論として記述することができたのです。理論には二つの大きな利点があります。第一に、理論によって科学者は将来の出来事について明確な予測を立てることができます。例えば、ニュートンの重力理論によって、科学者は惑星のような物体の将来の動きを予測できるようになりました。仮に、今から半年後に火星がどこにあるかを知りたい場合、重力理論を用いてこれを正確に予測することが可能です。第二に、理論は常に反証可能であり、理論に合わない新たな証拠が見つかった場合には、修正される可能性があるということです。
例えば、かつて人々は、宇宙のすべてが地球の周りを回っているという理論を信じていました。ガリレオは、木星を周回する衛星を発見したとき、この理論を反証しました。これにより、実際にはすべてが地球の周りを回っているわけではないことを示せたのです。つまり、たとえ現時点でどれほど信頼できるように見えても、たった一度の将来の観測によって、理論は常に無効化されうるのです。これは、理論が決して完全に正しいと証明されることはないということであり、科学を絶え間なく進化するプロセスにしているのです。
1600年代、アイザック・ニュートンは物体の運動に関する考え方に革命をもたらした。
アイザック・ニュートン以前、人々は物体の自然な状態は絶対的な静止であると考えていました。つまり、何の力も加わらなければ、物体は完全に静止し続けるという意味です。1600年代に、ニュートンはこの長く信じられてきた考えを徹底的に否定しました。その代わりに、彼は宇宙のすべての物体は静止しているのではなく、実際には絶え間なく運動しているという理論を導入しました。
ニュートンは、宇宙の惑星や恒星が互いに対して絶えず動いていることを発見したことで、このことを突き止めました。例えば、地球は太陽の周りを絶えず公転しており、太陽系全体は銀河の周りを回転しています。したがって、完全に静止しているものは何もありません。宇宙のすべての物体がどのように動くかを説明するために、ニュートンは三つの法則を開発しました。ニュートンの第一法則は、すべての物体は他の力が加わらない限り、直線運動を続けると述べています。これは、ガリレオが斜面をボールに転がる実験で実証されました。重力がボールに作用する唯一の力であったため、ボールは直線的に転がりました。
ニュートンの第二法則は、物体はそれに作用する力に比例した割合で加速する、と述べています。例えば、より強力なエンジンを搭載した車は、それほど強力でないエンジンの車よりも速く加速します。この法則はまた、物体の質量が大きければ大きいほど、力がその運動に与える影響は小さくなる、とも述べています。例えば、同じエンジンを搭載した二台の車がある場合、重い方の車は加速に時間がかかります。
ニュートンの第三法則は重力を説明しています。それは、宇宙のすべての物体は、それぞれの質量に比例した力で他の物体を引き合う、と述べています。つまり、一方の物体の質量を二倍にすると、力も二倍になります。一方の物体の質量を二倍にし、もう一方の質量を三倍にすると、力は六倍になります。
光の速度が一定であるという事実は、何かの速度を常に別の何かと相対的に測定できるとは限らないことを示している。
ニュートンの理論が絶対的静止を否定し、物体の運動は別の何かの運動との相対的なものであるという考えに取って代わったことを見てきました。しかし、この理論は物体の速度も相対的であることを示唆していました。例えば、時速100マイルで走行中の電車に座って本を読んでいると想像してください。あなたはどのくらいの速度で移動しているでしょうか？
さて、電車が通過するのを見ている傍観者にとって、あなたは時速100マイルで移動しています。しかし、あなたが読んでいる本から見ると、あなたの速度は時速0マイルです。つまり、あなたの速度は別の物体との関係で決まる、相対的なものなのです。しかし、ニュートンの理論には一つの大きな穴が生じました。光の速度です。光の速度は一定であり、相対的ではありません。それは常に秒速18万6000マイルです。
他の何かがどれだけ速く進んでいようとも、光の速度は変わりません。例えば、その電車が時速100マイルで光線に向かって進んでいたとしても、光の速度は秒速18万6000マイルです。しかし、その電車が赤信号で停止したとしても、光線の速度はやはり秒速18万6000マイルのままです。誰がその光を見ているか、あるいはその人がどれだけ速く移動しているかに関係なく、その速度は常に同じなのです。
この事実は、ニュートンの理論に問題を引き起こします。観測者の状態に関係なく、何かの速度が一定でありうるのはなぜでしょうか？ その答えは、20世紀初頭にアルバート・アインシュタインが相対性理論を提唱したときに発見されました。
相対性理論は、時間そのものが固定されていないと述べている。
光の速度が一定であることは、速度が常に相対的であるとは限らないことを証明したため、ニュートンの理論にとって問題でした。そのため、科学者たちは光の速度を考慮に入れた、更新されたモデルを必要としていました。アルバート・アインシュタインはそのような理論、相対性理論を発展させました。相対性理論は、科学の法則は、自由に運動しているすべての観測者にとって同じであると述べています。
これは、誰かの速度がどれだけであろうと、彼らは同じ光の速度を観測するであろう、ということを意味します。これは一見すると非常に単純に見えるかもしれませんが、その中心的な示唆の一つは、実際には多くの人にとって理解するのが非常に難しいものです。それは、時間は相対的であると述べている点です。これが意味するのは、光の速度は異なる速度で動く観測者にとって変わらないため、互いに相対的に運動している観測者は、同じ出来事に対して実際には異なる時間を計測するだろう、ということです。例えば、二人の観測者に向けて光の閃光が放たれたとします。一人は光に向かって移動しており、もう一人は反対方向により速い速度で移動しています。二人が異なる速度で異なる方向に移動しているにもかかわらず、両方の観測者にとって、光の速度は同じです。信じがたいことですが、これは、彼らがそれぞれ、その閃光現象をまるで異なる二つの時間に起こったかのように経験することを意味します。
これは、時間が、何かが移動した距離をその速度で割ることによって決定されるからです。光の速度は両方の観測者にとって同じですが、距離が異なるため、時間は各観測者にとって相対的になります。もし両方の観測者が、光のパルスが放出された時を記録するために時計を持っていたとしたら、これらは同じ出来事に対して二つの異なる時間を確認するでしょう。では、どちらが正しいのでしょうか？ どちらの観測者も正しくありません。時間は相対的であり、両方の観測者の視点に固有のものなのです！
粒子の正確な測定はできないので、科学者は量子状態と呼ばれるものを使って予測を行う。
すべての物質は、電子や光子のような粒子で構成されています。宇宙についてより深く学ぶために、科学者はそれらを測定し、その速度を研究したいと考えます。しかし、粒子を研究しようとすると、非常に奇妙なことが起こります。奇妙なことに、粒子の位置を正確に測定しようとすればするほど、その速度は不確かになり、速度を正確に測定すればするほど、その位置は不確かになるのです！
1920年代に初めて発見されたこの現象は、不確定性原理と呼ばれています。不確定性原理のために、科学者は粒子を見る別の方法を使わなければならなくなり、代わりに粒子の量子状態を調べ始めました。量子状態は、粒子の可能性のある多くの位置と速度を組み合わせたものです。科学者は粒子の確定した位置や速度を特定できないため、粒子が占めるかもしれない多くの可能性のある位置と、持ちうるかもしれない速度を調べます。粒子が動き回るとき、科学者はそれが存在しうるすべての可能性のある場所を追跡し、そのうちどれが最も可能性が高いかを判断します。これを判断する助けとして、科学者は粒子を波であるかのように扱います。
粒子が取りうる多数の異なる位置は、それらが一連の連続した振動する波のように見えることを意味します。振動する一本の弦を想像してみてください。弦が振動するとき、山と谷を描いて弧を描き、上下します。粒子もこれと同じように振る舞いますが、その可能な経路は、そのような重なり合う波の連続であり、すべてが同時に起こります。
このように粒子を見ることで、科学者は粒子がどこにある可能性が最も高いかを突き止めるのに役立ちます。粒子の最も可能性の高い位置は、多くの波の弧と谷が互いに対応する場所に発生し、最も可能性の低い位置はそうでない場所です。これは干渉と呼ばれ、粒子の波の経路にとってどの位置と速度が最も可能性が高いかを示します。
重力は、巨大な物体が宇宙を曲げることの結果である。
あなたの周りの世界を見るとき、あなたはそれを三次元で見ています。つまり、どんな物体も、その高さ、幅、奥行きで説明できます。しかし、第四の次元も存在します。私たち自身はそれを見ることはできませんが。それは時間であり、他の三次元と組み合わさって、時空と呼ばれるものを形成します。
科学者はこの四次元の時空モデルを使って、宇宙での出来事を記述します。出来事とは、空間と時間における特定の位置で起こる事柄です。そのため、出来事の位置を三次元座標とともに計算する際、科学者は時間を示す第四の座標を追加します。相対性理論が時間は相対的であると述べているため、科学者は出来事の位置を決定する際に時間を考慮しなければなりません。したがって、それは出来事の性質を記述する上で重要な要素です。空間と時間の組み合わせによる驚くべき結果は、それが私たちの重力の概念をどのように変えたかということです。
重力は、巨大な物体が時空を曲げることの結果です。私たちの太陽のような巨大な質量は、時空を曲げ、実際に変化させます。次のように考えてみてください。広げて宙に浮かせた一枚の布として時空を想像してみてください。布の中央に物体を置くと、布は曲がり、物体は少し沈みます。これが、巨大な物体が時空に対して行うことです。そして、他の物体は時空のこれらの曲線に従います。
なぜなら、物体は常に二点間の最短経路を取るからであり、それはより大きな物体の周りの円軌道です。あの布をもう一度見れば、これがわかります。オレンジのような大きな物体を布の上に置き、それからビー玉のような小さな物体をそのそばに転がそうとすると、ビー玉はオレンジによって作られたへこみに従います。重力も同じように機能するのです！
非常に質量の大きい星が死ぬと、それはブラックホールと呼ばれる特異点へと崩壊する。
その生涯の間、恒星は熱と光を生み出すために莫大なエネルギーを必要とします。しかし、このエネルギーは永遠に続くわけではありません。やがて使い果たされ、星は死を迎えます。星が死ぬときに何が起こるかは、その大きさによって異なります。非常に大きな星がエネルギーを使い果たすと、壮大なものが作り出されます。ブラックホールです。
ブラックホールが生じるのは、最も質量の大きい恒星の重力場が非常に強いからです。星が生きている間は、自身のエネルギーを使って崩壊を防いでいます。しかし、星がエネルギーを使い果たすと、もはや重力に打ち勝つことができず、その崩壊しつつある本体は自らの内側へと崩れ落ちます。すべてのものは、特異点と呼ばれる無限に密度の高い球状の点に向かって内側に引き寄せられます。この特異点がブラックホールです。ブラックホールが形成されると、その重力によって時空は非常に急激に曲げられ、光でさえもそれに沿って曲がります。
ブラックホールは近くのすべてのものを引き込むだけでなく、その周りの特定の境界を越えたものは何であれ、再び脱出するのを防ぎます。この後戻り不能な地点は事象の地平線と呼ばれ、宇宙の他の何よりも速く進む光でさえも、そこを越えて逃げ帰ることはできません。これは一つの疑問を提起します。もしブラックホールが光と、その事象の地平線を越える他のすべてのものを吸収するなら、どうやってそれらがそこにあると知ることができるのでしょうか？ 科学者は、宇宙への重力効果と、周回する恒星との相互作用によって生成されるX線を探すことによって、ブラックホールを探します。例えば、科学者はブラックホールである可能性のある、暗くて巨大な天体の周りを回る星を探します。また、物質がブラックホールに吸い込まれて引き裂かれるときに一般的に生成されるX線やその他の波も探します。私たちの銀河の中心にさえ、超大質量ブラックホールである可能性のある電波と赤外線の発生源があります。
ブラックホールは放射線を放出し、それが蒸発による死につながる可能性がある。
ブラックホールの引力があまりに強いため光でさえ脱出できないのなら、他の何物も脱出できないと思うでしょう。しかし、それは間違いです。実際には、ブラックホールは何かを放出しなければなりません。さもなければ、熱力学第二法則を破ってしまうからです。普遍的な熱力学第二法則は、エントロピー、つまりより大きな無秩序へ向かう傾向は、常に増大すると述べています。
そして、エントロピーが増大するにつれて、温度も上昇しなければなりません。この例としては、火の中に入れた後、火かき棒が赤熱して輝き、熱として放射線を放出する様子が挙げられます。第二法則によれば、ブラックホールは宇宙から無秩序なエネルギーを吸い込むので、ブラックホールのエントロピーも増大するはずです。そして、このエントロピーの増大に伴い、ブラックホールは熱を逃がさなければならないはずです。熱の放出が可能なのは、ブラックホールの事象の地平線を通過したものは何も脱出できませんが、事象の地平線近くの仮想的な粒子と反粒子の対が熱力学第二法則を保存するからです。仮想粒子とは、検出はできないものの、その効果は測定できる粒子のことです。
その対の片方のパートナーは正のエネルギーを持ち、もう片方は負のエネルギーを持っています。ブラックホールでは、重力があまりに強いため、負の粒子をブラックホールに吸い込み、そうすることでそのパートナー粒子に、おそらく宇宙へ脱出して熱として放出されるのに十分なエネルギーを与えることができます。これにより、ブラックホールは放射線を放出することができ、したがって熱力学第二法則に従うことができます。放出される正の放射線の量は、負の粒子がブラックホールに吸い込まれることによってバランスが取られます。この負の粒子の内向きの流れは、ブラックホールの質量を減少させ、最終的には蒸発して消滅する可能性があります。そして、その質量が十分に小さくなれば、ブラックホールはおそらく、数百万個の水素爆弾に匹敵する大規模な最終爆発を起こして終わるでしょう。
確信は持てないものの、時間は前にしか進めないことを示唆する強力な指標がある。
宇宙が収縮を始め、時間が逆流し始めるシナリオを想像してみてください。それはどのようなものだろうか？ おそらく時計は逆回りし、歴史の流れは逆転するでしょう。科学者は完全に否定したわけではありませんが、時間が前向きにしか進まないことを示唆する三つの強力な指標があります。
時間の経過が過去から未来へ向かうことを示す最初の指標は、時間の熱力学的矢です。熱力学第二法則によれば、閉鎖系の無秩序さであるエントロピーは、時間とともに増大する傾向があります。これは、無秩序さが増大する傾向によって時間を測定できることを意味します。例えば、コップがテーブルから転がり落ちて割れた場合、それはより無秩序になり、そのエントロピーは増大しました。割れたコップが自然に元通りに組み立てられ、その秩序を増すことは決してないので、時間は前向きにしか進んでいないことがわかります。割れたコップと熱力学的時間の矢は、時間が前向きであることの第二の指標である、心理学的時間の矢の側面でもあります。これは記憶によって決定されます。
そのコップが割れた後、あなたはそれがテーブルの上にあったことを思い出すことができます。しかし、その前に、まだテーブルの上にあったとき、あなたは床の上の将来の位置を「思い出す」ことはできません。第三の指標である、宇宙論的時間の矢は、宇宙の膨張を指し、これもまた、私たちの熱力学的時間の矢の認識に沿っています。なぜなら、宇宙が膨張するにつれて、エントロピーは増大するからです。もし宇宙の無秩序さが最大点に達したなら、宇宙は収縮を始め、宇宙論的時間の矢を逆転させる可能性があります。
しかし、無秩序さが増大している時にしか知的生命体は存在できないため、私たちはそれについて知ることはないでしょう。なぜなら、私たちは食物をエネルギーに分解するエントロピーのプロセスに依存しているからです。したがって、私たちが存在する限り、宇宙論的時間の矢は前向きに進んでいると観測するでしょう。
重力に加えて、宇宙にはさらに三つの基本的な力が存在する。
宇宙ではどのような種類の力が働いているのでしょうか？ ほとんどの人は一つしか聞いたことがないでしょう。重力、つまり物体を互いに引き寄せる力であり、地球の重力が私たちをその表面に引き寄せる方法で経験されます。しかし、ほとんどの人は、実際には最も小さな粒子に作用する三つの追加の力があることを知りません。一つ目は電磁気力で、磁石が冷蔵庫にくっついたり、携帯電話を充電したりするときなど、日常生活で観察できます。
それは、電子やクォークのような電荷を持つすべての粒子に作用します。電磁気力は、磁石のN極とS極のように、引力にも斥力にもなりえます。プラスに帯電した粒子はマイナスの粒子を引き付け、他のプラスの粒子を押しのけ、その逆も同様です。この力は重力よりもはるかに強く、原子の小さなレベルで支配的です。例えば、電磁気力は電子を原子核の周りに周回させます。二つ目は弱い核力で、物質を構成するすべての粒子に作用し、放射能を引き起こします。この力が「弱い」と呼ばれるのは、それを運ぶ粒子が短い距離でしか力を及ぼせないからです。
より高いエネルギーでは、弱い核力の強さは電磁気力の強さと一致するまで増大します。三つ目は強い核力で、原子核の中で陽子と中性子を結びつけ、陽子と中性子の中のより小さなクォークを結びつけます。電磁気力や弱い核力とは対照的に、強い核力はより高いエネルギーでは弱くなります。大統一エネルギーと呼ばれる非常に高いエネルギーでは、電磁気力と弱い核力は強くなり、強い核力は弱くなります。その時点で、三つの力すべてが等しい強さに達し、単一の力の異なる側面となります。宇宙の創造に一役買ったかもしれない力です。
科学者は宇宙がビッグバンで始まったと信じているが、それがどのように起こったのか正確にはわかっていない。
ほとんどの科学者は、時間はビッグバンとともに始まったと信じています。ビッグバンとは、宇宙が無限に密度の高い状態から、今日もなお成長し続けている急速に膨張する実体へと移行した瞬間です。しかし、科学者はこのビッグバンがどのように起こったのか正確にはわかっていません。もっとも広く受け入れられている宇宙の始まりの理論は、熱いビッグバンモデルです。このモデルでは、宇宙は大きさゼロで始まり、無限に熱く、密度が無限に高かったとされます。
ビッグバンの間、それは膨張し、成長するにつれてその熱が広がり、温度は冷却されました。この膨張の最初の数時間で、今日の宇宙にあるほとんどの元素が作られました。宇宙が膨張し続けるにつれて、重力によって膨張する物質のより密度の高い領域が回転を始め、銀河が作られました。これらの新しく形成されつつある銀河の中で、水素とヘリウムのガス雲が崩壊しました。それらの原子の衝突が核融合反応を引き起こし、星が作られました。これらの星が後に死んで崩壊したとき、それらは巨大な恒星爆発を起こし、より多くの元素を宇宙に放出しました。
これが、新しい星や惑星の誕生の材料を提供しました。これがビッグバンと時間の誕生について一般的に受け入れられているバージョンですが、唯一のモデルではありません。別のモデルはインフレーションモデルです。このモデルは、初期宇宙のエネルギーが非常に高かったため、強い核力、弱い核力、電磁気力の強さが等しかったと提案します。
しかし、宇宙が膨張するにつれて、三つの力は非常に急速に異なる強さを帯びるようになりました。力が分裂するにつれて、膨大な量のエネルギーが放出されました。これは反重力効果をもたらし、宇宙を急速に、そして加速的に膨張させたでしょう。
物理学者は一般相対性理論と量子物理学を統一できていない。
宇宙を理解し記述したいという願望の中で、科学者は二つの主要な理論を発展させてきました。一つ目は一般相対性理論で、宇宙の非常に大きな現象である重力に焦点を当てています。二つ目は量子物理学で、宇宙で知られている最も小さな物体のいくつか、すなわち原子より小さな粒子を記述します。両方の理論が優れた洞察を提供する一方で、量子物理学の方程式で予測されることと、一般相対性理論で予測・観測されることの間には大きな違いがあります。
これは、現在のところ、それらを組み合わせて一つの完全な統一理論を作り上げる方法がないことを意味します。二つの理論が統合されるのを妨げている一つの問題は、科学者が量子物理学で使用する方程式の多くが、一見不可能な無限の値をもたらすことです。例えば、方程式によれば、時空の曲率は無限になり、観測では誤りであることが示されていることです。これらの無限大を打ち消すために、科学者は方程式に他の無限大を導入しようとします。残念ながら、これは科学者が正確に予測することを妨げ続けます。結果として、量子物理学の方程式を使って出来事を予測する代わりに、出来事そのものを追加して、方程式をそれに合うように微調整しなければならないのです！
第二の同様の問題は、量子論が、宇宙のすべての空虚な空間は仮想的な粒子と反粒子の対で構成されていると示唆していることです。しかし、これらの仮想対の存在は、一般相対性理論にとって困難を引き起こします。宇宙には無限の量の空虚な空間が存在するため、これらの対のエネルギーは無限のエネルギーを持たなければならないでしょう。これは問題です。なぜなら、アインシュタインの有名な方程式 E=mc² は、物体の質量はそのエネルギーに等しいことを示唆しているからです。したがって、これらの仮想粒子の無限のエネルギーは、それらが無限の質量も持つことを意味するでしょう。そして、もし無限の質量があれば、宇宙全体は強烈な重力の引力の下で崩壊し、単一のブラックホールになってしまうでしょう。
最終的な要約
多くの人々が物理学から遠ざかってしまうのは、長大な方程式と複雑な理論の、理解しがたい世界だと見なしているからです。そして、ある程度までは、これは真実です。
しかし、物理学の複雑さが、専門家ではない私たちが、宇宙がどのように、そしてなぜ機能するのかを学ぶのを妨げるべきではありません。私たちの周りの宇宙の謎を理解するのに役立つ、多くのルールや法則があります。私たちのほとんどが理解できるルールや法則です。そして、一度それらを理解すれば、私たちは宇宙を新たな視点で見始めることができるのです。
