ー 宇宙の誕生と進化の光景 ー
京都大学基礎物理学研究所
佐々木節
現代物理学の2大理論
 一般相対論
重力=時空の幾何学
膨張する宇宙,ブラックホール
 量子力学
物質=粒子と波動の2面性
「真空」の揺らぎ,トンネル現象
一般相対論と量子力学の融合 = 理論物理学の最重要課題
宇宙誕生のカギを握る
話の内容
• 宇宙の進化(ビッグバン理論) ・・・ 確実に正しい
• インフレーション宇宙理論
・・・ 多分正しい
• 量子宇宙論
・・・ 理論的予想
膨張宇宙の発見
Edwin Hubble (1929)
遠くの銀河ほど速く遠ざかる
140 km/s
2 Mpc
140 km/s
2 Mpc
地球
1 Mpc
空間自体が膨張
70 km/s
エドウィン ハッブル
1 Mpc (メガ・パーセク) = 300万光年
最近の観測による銀河分布
遠くを見る=過去を見る
秒速 3万km
ハッブルが見た宇宙
10億光年
(300Mpc)
見える宇宙の限界:約100億光年
( 秒速30万km =光の速さ)
アインシュタインの一般相対論
Albert Einstein (1915)
時間と空間(時空)の幾何学としての
重力の理論
G
時空の曲率
8 G
 4 T
c
物質のエネルギー運動量密度
G = 6.7×10-11 ニュートン・m2 /kg2 (重力定数)
c = 3×108 m/sec (光速度)
フリードマン方程式 Friedmann (1922)
宇
宙
の
膨
張
率
8 G
H 
r
3
2
r = 宇宙の質量密度
G= ニュートンの重力定数
フリードマンの解 :
一般相対論に基づいた膨張宇宙モデル
「空間」が大きくなる
現在の宇宙の膨張率: H0 = 70 km/s/Mpc
風船宇宙モデル
風船の表面が宇宙

(3次元空間を2次元球面で模倣) 


 銀河間の距離が大きいほど
より速く遠ざかる

銀河
球面上の「点」が銀河
宇宙のはじまり
昔の宇宙は小さかった。
約130億年前には銀河は重なり合って
個々の銀河のような塊でなく、物質が一様に分布
宇宙は超高温、高密度の状態からはじまった
Big Bang !
ガモフの火の玉宇宙論 (1940年代)
George Gamow
宇宙マイクロ波背景輻射
(CMB) の発見
Penzias & Wilson (1965)
人工衛星による大陸間テレビ
中継実験中に奇妙な雑音電波
宇宙がかって高温・高密度
であった痕跡
ウイルソンとペンジャス
ビッグバン宇宙の熱史
宇
宙
の
誕
生
 始めは光と素粒子の熱いスープ (電子,陽子,ニュートリノ…)
 最初の3分間でヘリウムなどの軽元素が合成される
 30万年経って宇宙が晴れ上がる( 温度は約1000 K )
 約10億年経って星・銀河形成
ビッグバン宇宙の晴れ上がり
プラズマ状態(蛍光灯の中と同じ)
陽子と電子が結合して中性化すると
光は散乱せずにまっすぐ進む
陽子
電子
クエーサー
晴
れ
上
が
り
ビッグバン
銀河
(
宇
宙
の
中
性
化
)
30万年
10億年
時間
100億年
宇
宙
マ
イ
ク
ロ
波
背
景
輻
射
現在
光(電磁波)で空(宇宙)を観測すると...
雲の表面
(光が最後に散乱された面)
しか見えない.
電波で見ると
宇宙の晴れ上がり面
(30万歳の宇宙)
が見える
WMAP衛星が描く30万歳の宇宙地図
(宇宙の晴れ上がり面)
現在の宇宙を100歳とすると生後1日目の宇宙
赤い部分は温度がわずかに高く,青い部分はわずかに低い.
青い部分が数十億年かけて銀河や銀河団に成長
ビッグバン以前?
真空エネルギー (= 宇宙定数)による急激な膨張
インフレーション宇宙モデル(1980年~)
アラン・グース
佐藤勝彦
アンドレイ・リンデ
真空のエネルギー
• 偽の真空
物質は何も存在しないが,大きな潜在的エネルギー
(真空のエネルギー)を持つ空間
• 真空は膨張してもエネルギー密度は変わらない
全エネルギー = エネルギー密度×体積
膨張によって莫大なエネルギーが生まれる
宇宙のインフレーション
誕生直後の宇宙
現在見えている宇宙のサイズ
完全に平坦に
見える
1030 倍以上
100000........00000
0が30個以上
巨大な宇宙の誕生
真空の量子揺らぎも大きく引き伸ばされて
現在の銀河や銀河団などの種になる
ビッグバン宇宙の誕生
インフレーション終了時に全エネルギーが熱に変換
冷たい宇宙
熱い宇宙
物質(クォーク,電子,ニュートリノ)と光の誕生
宇宙誕生後 10-34 秒の頃.
1
秒
34
10
温度は約 1028 K
インフレーション宇宙の観測的検証
理論的予言
• インフレーション後の宇宙は,極めて良い精度で
空間が平坦.
• インフレーション中の真空の量子揺らぎが,宇宙の
密度揺らぎとなり,銀河や銀河団へと成長する.
上の2つの予言は,最近の観測データと極めてよく一致
しかし,これらは間接的証拠(傍証)…
直接的検証?
• 真空の量子揺らぎの一部は時空の波(重力波)となり,そのまま
現在の宇宙にその痕跡を残す.
重力波天文学=天文学の「最後のフロンティア」
インフレーション終了時期
(宇宙誕生後 10-34 秒)
重力波
電磁波
宇宙の晴れ上がり
(宇宙誕生後30万年)
インフレーション以前の宇宙?
ホーキング・ペンローズの特異点定理(1970)
「宇宙は有限の過去に
時空の特異点を持つ」
宇宙の始まり=時空の特異点?
Hawking
Penrose
時空の特異点では物理法則が成立しない!?
一般相対論(古典論)が適用できない !
量子重力理論
一般相対論(時間と空間の発展)に量子力学の考え方を適用
完全な量子重力理論は未完成
超弦理論,M理論,...
近い将来,完成すると期待されているが...
(川合光先生のお話)
量子宇宙論
宇宙全体の進化に量子力学を適用
• 宇宙誕生の量子重力的描像にせまる
• 量子重力理論の構築への第一歩
トンネル現象
― 量子論特有の現象 ―
古典論:
粒子は壁を越えられない
量子論:
確率の波が少し染み出る
粒子は確率的に広がって存在
真空の量子揺らぎ
― 場の量子論固有の現象 ―
• 真空は何もない静かな空間ではない.
• ミクロのレベルでは,素粒子が激しく生成消滅を繰り返している.
c
E
L
プランク定数
c  3 1026ジュ ール・ メ ート ル
サイズL が小さいほどエネルギーE の揺らぎが大きい
量子重力の世界
1
cm
33
10
時空を10-33 cm 以下のスケール(プランクスケール)で見ると
ブラックホールやワームホールの生成消滅が激しく起こっている
ジョン・A・ウィーラー
(スペース・タイム・フォーム)
• 宇宙の大きさが10-33 cm 以下のときは「宇宙全体」が量子論的状態
宇宙(=時空)の存在自体が確率的
ドジッタ-宇宙解
真空のエネルギー(宇宙項)で満たされたアインシュタイン方程式の解
R
収縮
宇宙の大きさ R に
最小半径が存在
宇宙の半径の「運動」に障壁がある
膨張
宇宙の半径
a(t)
Rmin
時間
t
「無」からの宇宙創生説
Vilenkin (1982), Hawking, …
トンネル効果によって,半径が0の状態(無)から宇宙が生まれた
障壁の高さ
宇宙の半径の「運動」の障壁
古典的
ドジッター宇宙解
ビレンキン
量子トンネル効果
宇宙の半径
ブレーン(膜)宇宙論
brane = membrane (膜)からの造語
我々の宇宙は高次元空間の中の3次元の膜?
• 超弦理論やM理論が予言する世界
• ブレーン宇宙説では「無」からの宇宙
創生を自然に説明できる.
• 宇宙がブレーン同士の衝突によって
生まれた可能性もある.
• 宇宙誕生直後のインフレーションも
自然に説明可能
• 近い将来に実験や観測によって
理論の検証が可能(?)
まとめ: 「無」から「有」へ
• 無の状態から宇宙はトンネル効果で誕生した(だろう)
• 誕生直後の宇宙の半径はプランクサイズ (10-33 cm)
• その後,真空のエネルギーによって,宇宙は
インフレーションを起こし,大きな宇宙が誕生し,
真空のエネルギーが物質と光に転化した
物質の誕生,元素の合成,星・銀河形成,
太陽系形成,生命の誕生,....
おまけ:宇宙の未来?
• 永遠に膨張し続ける場合
膨張し続けながら冷えて行く
 宇宙の熱的死(空間だけが広がる「虚無」の世界?)
膨張が加速度的に早くなる
 ビッグ・リップ(すべてが引きちぎられる?)
膨張しながら,新たな物質が生成され続ける
 定常宇宙論(ビッグバン宇宙論の昔の対抗馬)の再現
• 膨張が止まり,収縮を始める場合
 ビッグ・クランチ(すべてが再び一点に潰れる)
宇宙の終わり? 新たな宇宙の始まり?
あと1000億年ほど経つと(多分)わかります!
ダウンロード

宇宙はどうやって始まったか?