『ジェネシス』（2019年）は、宇宙が誕生してから最初の138億年を、手に汗握る筆致で克明に描き出します。神秘的な原初の虚空から最初の星々の誕生まで、古代の壮大な創世神話に少しも劣らない、目も眩むような光景を紡ぎ出します。
本書の読みどころ：宇宙の黎明期を駆け足で巡る
あらゆる社会には、宇宙がどのように生まれたかについての独自の物語があります。ギリシャ神話の巨人や神々、破壊神シヴァ、あるいは『創世記』の創造主——私たちがなぜここに存在するのか、なぜ太陽は輝くのか、なぜ夜空はあのような姿をしているのか。それを物語として伝えたいという根源的な欲求が人間にはあるようです。
そうした物語には心を打つものが多いですが、宇宙の壮大さを味わうために宗教的な物語や神話は必要ありません。科学的事実だけでも十分に驚くべきものなのです。本書が示すのは、原初の虚空、ブラックホールの周りを巡る数十億の銀河、そして爆発する巨大な星々——そうした科学的な物語が、宗教や神話の物語に少しも劣らず息をのむようなものであるということです。本書では、次のことを学べます。
- 宇宙の全エネルギーが実はゼロである理由
- ヒッグス粒子の正体
- 私たちの銀河が巨大なブラックホールに依存している理由
宇宙は虚空から生まれ、急速に膨張する
はじめに存在したのは、虚空（ボイド）だけでした。それは、技術的には何も含まないものの、その内部で非常に重要な出来事が起こる、一種の神秘的な真空です。物理法則によれば、宇宙が生まれる前に存在していたような「空っぽ」に見える虚空でさえ、量子ゆらぎというプロセスを経験します。これは、つかの間の仮想粒子が瞬く間に現れては消えていくという現象です。最初は、こうしたゆらぎはごく小さなスケールでしか起こりません。しかし、突然何かが起こり、このプロセスが拡大されます。そしてその後、すべてが一変するのです。
ここでの重要なポイントは、宇宙は虚空から生まれ、急速に膨張するということです。真空がゆらぐと、インフラトンと呼ばれる粒子が強力な影響を及ぼし始めます。虚空は束の間のエネルギーで泡立ち、このインフラトンの場が途方もなく大きな結果をもたらします。つまり、そのプロセスを桁外れに膨張させるのです。この一つの作用によって、真空の小さな泡は想像を絶する速さで——光の速さよりも速く——膨張します。微視的だったものが一瞬で巨視的になり、猛烈な勢いで外へと広がっていきます。こうして宇宙が誕生したのです。
宇宙誕生のこの時期についてはまだ十分に理解されておらず、起源に近づけば近づくほど、物事はあいまいになっていきます。しかし、宇宙が虚空から生まれたという事実には、興味深い帰結があります。つまり、宇宙は今もなお、変容を遂げた一種の真空に過ぎないということです。一見すると、この主張は意味をなさないように思えます。周りを見渡せば、確かに存在するとわかるものがたくさんあります。たとえば、あなた自身の体がそうです。手足の存在は、私たちが虚空の中に生きているわけではないことを証明しているのではないでしょうか？ いえ、そうではないのです。
私たちが虚空の中に生きているという考えは、何も存在しないという意味ではありません。宇宙の正味のエネルギーがゼロであるという意味なのです。言い換えれば、宇宙が物質の形で持つすべてのプラスのエネルギーは、重力場のマイナスのエネルギーによって相殺されているのです。もし電卓を取り出して、宇宙に含まれるすべてのエネルギーを合計し、そこから重力のマイナスのエネルギーを差し引いたなら、残るのは一つの数字、ゼロです。これは、私たちが虚空のゆらぎから生まれたことをさらに裏付けています。
ヒッグス粒子が粒子に質量を与え、均一で区別のなかった宇宙に多様性を生み出す
宇宙は一瞬で最初のインフレーション段階を終えます。しかし、この初期の世界を見ることができたとしても、私たちは自分を取り巻くものの何一つ認識できないでしょう。この段階で存在するものは、形のないガスの海だけです。それは微小な粒子で構成され、それぞれ質量を持たず、光速で動いています。実際、どの角度から見ても、どの一点を見ても、宇宙はまったく同じ姿に見えます。もしこの状態が続いていたら、宇宙は永遠に不毛なままだったでしょう。
しかし、インフラトンが初期の小さなゆらぎを拡大するために介入したように、今度は別の粒子が登場し、再びすべてを決定的に変えます。それがヒッグス粒子です。ここでの重要なポイントは、ヒッグス粒子が粒子に質量を与え、それまで均一で区別のなかった宇宙に多様性を生み出すということです。ヒッグス粒子の場と接触した多くの粒子は、根本的な変化を経験します。場の中を動くにつれて速度が低下し、質量を獲得するのです。実際、あまりに多くの質量を獲得して不安定になり、宇宙に存在し続けられなくなる粒子もあります。一方で、質量を得てもなお軽く、生き残ることができる粒子もいます。これらの粒子は、宇宙における物質の発展において重要な役割を果たします。ヒッグス場と接触した際に、粒子ごとに異なる質量を獲得するため、初期宇宙の均一性は突然打ち砕かれるのです。
かつてすべてが同じだった場所に、今や多様性が広がります。宇宙が膨張と冷却を続けると、環境はヒッグス粒子にとって住みにくいものになります。慣れ親しんだ熱がなければ、もはや存在し続けることができないのです。この段階で、役目を終えたヒッグス粒子は138億年のあいだ姿を消します。幾星霜を経て、ようやく2010年に再びその姿を現すことになります。CERNの科学者チームが極めて高い強度の衝突実験を行ったとき、この原始の粒子が一瞬現れ、それまで単なる仮説に過ぎなかったものの存在が確認されるのです。
亜原子粒子が形成され、やがて光が生まれる
ヒッグス場が重要だった理由はいくつかあります。まず、すでに見たように、粒子が質量を獲得することを可能にし、それまで完全に均一だった宇宙に多様性をもたらしました。しかし、この驚くべき粒子が行ったのはそれだけではありません。宇宙の力そのものにも影響を与え、そのうちの二つ——弱い相互作用と電磁気力——を決定的に分離させたのです。
この分離の影響は計り知れません。宇宙の基本的な構成要素の一部である亜原子粒子が、より安定した組織形態を取り始めます。それは、やがて私たちの周りの物質世界の祖先となる形態です。この時点で、宇宙は少しだけ馴染みのあるものになります。ここでの重要なポイントは、亜原子粒子が形成され、やがて光が生まれるということです。この初期段階における最も重要な進展の一つは、最初の陽子の出現です。陽子は、より複雑な物質の基本的な構成要素となる微小な粒子です。陽子は宇宙の基本的なビルディングブロックと考えることができます。単純でありながら永続性のある粒子で、壮大で複雑な宇宙的構造物の形成に重要な役割を果たすのです。
電子もまた、この時期に重要な役割を果たします。温度が下がるにつれて、これらの粒子はおとなしく、飼いならされたものになります。今後、電子は安定して陽子の周りを周回する運命にあり、その結びつきによって原子や分子が発達できるようになります。電子が陽子の周りを周回することに専念するようになると、もう一つの重要な節目が訪れます。これまで光子は自由に動くことができませんでした。
行く先々で、光子は電子の大きな雲に吸収され、放出されていました。電子の雲は光子の通過を妨げ、その動きを制限していたのです。しかし、電子が新しい役割を担うようになったことで、光子は干渉から解放されます。新たに自由になった光子は駆け回り、宇宙が初めて内包する光を宇宙全体に広めていきます。
重力がガスに作用し、最初の星々を生み出す
宇宙の発展のこの段階では、テンポが遅くなり、物事がゆっくりと進むようになります。これまでは、多くが一種の猛スピードで進行していましたが、今や発展ははるかに緩やかになります。数十万年単位だったプロセスは、数億年単位で測られるようになります。ペースの変化に加えて、この時期には新たな主役が登場します。重力です。これまで重力は宇宙の形成において周辺的な役割しか果たしていませんでした。
しかし、この新たなゆっくりとした段階で、このおなじみの力が中心的な役割を果たし始めます。重力はその存在を感じさせるために物質に作用しなければなりません。そこで、この時点でガスに作用します。ここでの重要なポイントは、重力がガスに作用して最初の星々を作り出すということです。宇宙に原子の構成要素が存在するようになったことで、物質は安定した元素——この初期段階では水素とヘリウム——の形を取り始めます。初期の量子ゆらぎが物質を宇宙全体に不均等に広げたため、あちこちに物質密度の高い領域が点在しています。重力の力によって、この物質はさらに多くの物質を引き寄せ、特定の領域ではガスの密度がゆっくりと、しかし着実に増加していきます。
このプロセスはゆっくりとしていますが、数百万年をかけて驚異的な結果をもたらします。巨大なガス球が形成され、高密度で高温、高度に圧縮された核を持ちます。やがて熱が限界を超え、水素とその同位体の間で核融合が起こります。その結果は前例のないものです。
膨大な熱、大いなる火が発生し、そして2億年の時を経て、最初の星が誕生します。これらの初期の星々はあまりに巨大なため、「メガスター（巨星）」として知られています。しかし、見た目が印象的なだけではありません。これらの星々を維持する核プロセスは、炉としても機能し、後に続く星々、そして最終的には惑星を形成する、ますます重い元素を生み出していくのです。
最初の銀河は、星々とガスと塵から成長する
宇宙が始まってから数億年が経過し、宇宙空間は明るい星々のネットワークで彩られています。しかし、これらの燃えるようなガスの集合体の寿命は限られており、時折、壮大な花火のような光景の中で消滅し、水素やヘリウム、そしてより重い元素を周囲の宇宙空間にまき散らします。再び、この散らばった物質は、あのゆっくりとしたおなじみの力——重力——の影響を受けます。時間をかけて、最も密度の高い領域がより多くの物質を引き寄せていくのです。宇宙に散らばった物質から、新しくより複雑な存在が生まれようとしています。銀河です。
ここでの重要なポイントは、最初の銀河が星々、ガス、塵から成長していくということです。現在では、ほぼすべての銀河の中心に超大質量ブラックホールが存在することが広く認められています。私たちの銀河である天の川銀河は、「いて座A*（サジタリウスA*）」と呼ばれる巨大なブラックホールの周りを回っています。それは太陽の400万倍もの重さを持つ、途方もなく大きな天体です。これらの中心ブラックホールが物質を自分に向かって引き寄せるとき、運動量のおかげで、多くの星々や物質の集合体が、周回している強力な「洞窟」に飲み込まれずに済んでいます。暗い中心核に消えていく代わりに、それらは「回転円盤」と呼ばれる形で、中心核の周りを公転しています。私たちの天の川銀河は、星々、塵、ガスの回転する集合体であり、目に見えないダークマター（暗黒物質）の巨大なハローによってその形を保っています。ほとんどの銀河と比べると、天の川銀河は巨大で、その広大な次元は貝殻のような美しい渦巻き構造を形成しています。
全体として、天の川銀河には約2,000億個の星々が含まれています。ちなみに、2,000億という数字は、天文学者たちが宇宙に存在する銀河の数を推定する際に到達した数字でもあります。少し考えてみてください。宇宙には、私たちの銀河にある星の数と同じだけの銀河が存在するのです。この段階では、宇宙が始まってから約40億年が経過し、宇宙空間は今や非常に多くの銀河を抱えています。その中には、中心のブラックホールがおとなしくなり、休眠状態にある、特に静かな銀河があります。ここ、天の川銀河で、何か非凡なことが起ころうとしています。
太陽系は、天の川銀河の平和な時期に形成される
天の川銀河が形成されてから数十億年が経過しました。すべては銀河中心の超大質量ブラックホールの周りを比較的安定した軌道で周回しており、初期の乱流の時代はとうの昔に終わっています。要するに、いて座A*はいくつかの星々やガス、おそらくは他のブラックホールさえも飲み込んだ後、静かな時期に入り、その周りを周回する天体を脅かすことがなくなったのです。このような状況、つまり天の川銀河に広がる銀河の静けさの中で、存在たちがますます複雑な形で組織化されていくには、まさにうってつけの条件が整っています。
ここでの重要なポイントは、私たちの太陽系は天の川銀河の平和な時期に形成されたということです。私たちの銀河の特定の領域では、頻繁な爆発によってガスや塵が大量に宇宙空間にまき散らされ、「分子雲」と呼ばれるものが形成されました。主にヘリウムと水素で構成されていますが、周期表のすべての元素——炭素や窒素から酸素や鉄に至るまで——が微量ながら含まれています。これらの分子雲は徐々に冷え始め、重力がその膨張を次第に遅くし、多様な物質をすべて引き寄せて、ますます成長する物質の塊を作り出します。最終的に、この大きな分子雲の大部分は崩壊して、私たちが太陽として知る、真っ赤に熱く高密度の星になります。そして残りの物質はその周りを「原始惑星系円盤」と呼ばれる円形の軌道で回ります。この物質が蓄積するにつれて、私たちがよく知る惑星体が形成され始めます。
最初にガス惑星——木星、土星、天王星、海王星——が形成され、次に岩石惑星——水星、金星、地球、火星——が、より小さな天体同士の衝突によって形成されます。そのうちの一つ、太陽から3番目の惑星は、自身の周りに気体の大気を引き留めておけるだけの強い重力を及ぼしています。この惑星が数十億年もの間、水を豊富に含む小惑星や彗星の衝突を受けるうちに、その表面のますます広い領域が海に覆われていきます。言うまでもなく、その惑星こそが地球です。そして約35億年前、その海の深いところで、生命が発達し始めました。当時の生物は、単純な単細胞藻類に過ぎませんでした。しかし、その後の長い期間に、地球上の生命は発達し、幾星霜をかけて複雑さを増していきました。そしてついに、一つの種——人類——が、周りの世界を見つめ、その起源を138億年前まで遡ることができるようになったのです。
まとめ
私たちの宇宙は素晴らしいものです。ゆらぐ真空から生まれ、猛烈な速度で膨張し、無数の星々、銀河、惑星を生み出しました。ごく最近には、私たちのような驚くべき生き物さえ芽生えさせました。私たちを生み出した宇宙のプロセスに驚嘆し、それを説明することのできる生き物を。
