宇宙って将来収縮するって本当？

Question

高校程度の物理学はわかっているつもりなので、
細かいところまで教えてください。

まず、宇宙の始まりがビッグバンだったということは、
なんとなくわかります。たぶんそのビッグバンのもとになった
物体はいろんな物質が混沌とした状態でまじりあっているもの
なのでしょう。それで、もちろんそれぞれが質量を持っているわけ
ですから、点ほどのところに集中して静止しているはずもありません。それで、四方八方に散らばって行った。という現象がビッグバン。
そう解釈してます。

その後、それぞれ干渉しつつ大きな範囲で飛び散り、今の宇宙を
形どっているのでしょう。そして、あるところではブラックホールが
誕生し、そのブラックホールが周りにあるものを集めては、また
崩壊し、というのを繰り返しながら宇宙の歴史は刻まれているのでしょう。では、こんなに膨大な量の物質が存在する宇宙で、しかも
それぞれが外へ向かって動いているのに、なぜ現代の科学者達は
宇宙が将来収縮するかもしれないと考えているのですか？

その理由がよくわかりません。このくらいのレベルの僕にわかるような説明をおねがいします。

たぶん、ブラックホールが何個も重なって、大きくなって、
宇宙にあるもの全てを吸い尽くしてから、またビッグバンのように
崩壊しながら周りに物質をばらまくのでしょうか？

nuts · Answer

うーん。簡単な説明って難しいなあ……。とりあえず、質問に関わる部分だけをものすごく単純化して説明してみます。
まず、ビッグバンに「もとの物体があった」わけではありません。エネルギーの塊が爆発し、飛び散ったエネルギーが物質に変わったのだと思ってください。（核分裂の逆の反応です）。
ブラックホールに限らず、宇宙に存在するすべての物質には重力が働きます。互いに引き合う力があるので、それ以上の力で膨らまない限り、すべての物質は一点に集まってきます。これが、宇宙が将来収縮するかも、と考えられる理由です。すると逆に、「なぜ膨らむか」の方がよほど不思議ですね。それを解決したのがビッグバンという着想でした。
現在の宇宙が膨張しているのは、ビッグバンの余波です。それがいつまで続くのか、重力に打ち勝って永遠に膨らみつづけるのか、いつか敗北して縮んでいくのか。そう考えてみてください。

buchurin · Answer

はじめにビックバン説自体は説なので未だに議論が続けられていることを一言。
そして、宇宙が広がっていっているというのも一つの説であったと認識してますが？
おそらくtomokun_thさんは計算による理論が知りたいのでしょうが、
私には無理です。専門家の方にお任せします。
私も大変興味があります。

ところで、宇宙が広がって行っている事を測定しているところがあるらしいです。
たしか、光以上のはやさで広がっているとか。
光よりはやいものをどうやって測定したのか？
疑問はつきませんが。
同様の場所で、宇宙の星、銀河系同士が少しずつ渦を描きながら集まっているという測定結果を出していたと思います。
これもある意味宇宙の収縮と言うことなのでしょうか？

宇宙って不思議ですよね！

nuts · Answer

書き忘れていたので補足です。
宇宙が永遠に膨らみつづけるか、収縮に転じるのかはまだ議論が分かれているところです。その証拠探しが、現代天文学の（たぶん）最大の目標になっています。
ビッグバンの有無も議論の途中ですが、宇宙が膨らんでいること自体はほぼ間違いないようです。光速以上に達しているところを計測しているわけではなく、その手前を計測しているだけですが。

で、tomokun_thさんにはできればちゃんと解説した入門書を読むことをお勧めします。高校物理レベルの知識があるなら、ブルーバックスで出ている本ならたいてい理解できると思います。ビッグバンや宇宙の将来について書かれた本はたくさんありますが、特に説明がわかりやすく、最新の情報を使っている本を推薦しておきます。
「宇宙のからくり」山田克哉・講談社ブルーバックスB1220
ISBN4-06-257220-6

paz777 · Answer

こんにちは。
ちょっとだけ補足です。
宇宙が将来収縮するか否かはnutsさんが言われている通り
物質の引き合う重力により左右されます。
例えば、ピンポン玉を２つ机の上に置いたとして、その２
つの玉の間には引き合う力が発生します。でも実際には２
つの玉が自然に接触することはしないですね。
これは、２つの玉が引き合う力より地球の重力（引力）の
方が大きいためです。

ちょっと話がずれましたが、宇宙に目を向けると、星と星
の間には引き合う重力が発生しています。でもこれは目に
見える物質だけですので、膨張する力には負けてしまいま
す。でも目に見えない物質、素粒子（物質の一番最小単
位、原子核より更に小さい）が宇宙には満ちあふれていま
すので、それを質量として加味する必要がある訳ですが、
特定の素粒子以外の素粒子に質量があるのか無いのかが解
っていないんです。
で今、素粒子の１つ「ニュートリノ」に質量があるかの実
験を日本で行っています。
もし、「ニュートリノ」に質量があることが実証できれ
ば、将来宇宙は収縮し、質量が無いことが実証できれば宇
宙は膨張し続けると言われています。

ちなみに、「ニュートリノ」の観測施設は岐阜県神岡町の
地下1,000mに作られています。
名称は「スーパーカミオカンデ」です。
URL検索すると色々と出てきます。

ではでは・・・

noname#25358 · Answer

これ、こないだニュースでやってましたよ。
　そのニュースによると「どうやら永久に膨張しつづけるらしい。今はその証拠探しをしている」ということでした。もしかしたらニュースキャスターの勘違いもあるかもしれませんが。

stomachman · Answer

皆さんが仰るとおり、重力によって再び収縮するかもしれない、ということです。ちょうど、放り上げたものがまた落ちてくるみたいに。
　ちょっと正確ではありませんが、感覚的な話で説明しますと：
思い切り速い速度でうち出された物は、戻ってきません。脱出速度と言いますが、地上から放り上げる場合には11km/秒ぐらいです。つまり宇宙の場合にも、ものの速度が脱出速度を越えているかどうか、によって、将来収縮するのかそのまま広がっていくのか、が違うわけです。

　遠くに行くほど、天体が遠ざかる速度が速いということはご存じでしょう？天体までの距離rとその天体の後退速度vとの関係が、非常に良い精度で v = H r という比例関係になっている。（このHが「ハッブル定数」です。）ということは、遠くへ行っても減速している様子がない。どうも広がり続けるんじゃないか。
　面白いことに、現実の宇宙は「広がり続ける」と「再び収縮する」のちょうど境目位になっているらしいんですね。これがなぜか、はわかりませんが、そうなっていると物事がシンプルに説明できる。

　ところが、最近になって、遠くのものはv=H rよりもうちょっと速く遠ざかっている、ということが分かってきました。ビッグバンで与えられた初速だけじゃなく、何かが加速をしている、ということを意味します。これは大変なことで、一般相対性理論に含まれていないエネルギー源がある。真空の中からエネルギーが湧きだしていると解釈されます。すなわち、（アインシュタイン自身が一般相対性理論に追加し、あとで「生涯最大の誤り」として取り消した）「宇宙項Λ」が復活したようなのです。

　また、もし収縮するのだとすると、ものが集まる。どんどん熱くなる。（ブラックホールというのはちょっとイメージが違います。空間そのものが小さくなるのであって、外側というものはない。ビッグバンも、「周りに非広がる、まき散らす」んじゃないです。周りというものがないんですから。）そのあとまたボカンと行くのかどうか、これは諸説あります。

　現実の宇宙の姿とその膨張に関する分かりやすい参考書として、グリビン「時の誕生、宇宙の誕生」翔泳社をお勧めします。

noname#236 · Answer

皆さんの回答に２点補足させてください。
１．現在の宇宙論では、時間と空間は同一要素と考えられています。
２．宇宙が収縮するということは、熱力学的にはエントロピーが減少する方向に向かうということです。
１については、元々ひとつであった時空という要素が時間と空間に分かれたという事であり、変な言い方をすれば、相対性理論はそれを証明した事になります。
２については、エントロピーの減少というのは未だ例が無く、それが起きた時現在の物理学は根底からくつがえされるでしょう。
なぜなら、宇宙（空間）が収縮する時、時間は逆転するからです。宇宙が収縮しても時間の逆転は起こらないという考えもありますが、それは１の法則(??)に反します。

stomachman · Answer

またまたstomachmanです。buchurinさんへの補足に書いていらっしゃる

> その星からやってくるいろいろな種類の波の波長を調べれば いいんですよ。

についての蛇足。
　まさにその通りです。天体の速度はドップラー効果を使って精密に計測できます。
　ドップラー効果というのは、ほら、近づいてくる救急車の音は甲高く、遠ざかっていく音は低く聞こえる、あの現象ですが、音に限ったことではなく波なら何でもこの効果は起こる。そして光でもドップラー効果は起こるんです。
　天体が同じ周波数の光（＝同じ色の光）を出していても、遠ざかっていく天体から出る光は周波数が低く見える。（波長が長くなる、と言っても同じ事です。）黄色い光だったら、それが赤の方にずれて見えるんです。このずれ方から、天体の速度が逆算できます。
　でも、「本当はじっとしている天体が、赤い光を出している」というのとどうやって見分けるのでしょうか？光を出しているのは、天体に存在する水素などありふれた原子です。沢山の周波数の光をセットで放出しますが、このセットになっている周波数の成分の組み合わせはその原子に特有のものです。（ちょうど、音でも、音色で救急車か暴走族か聞き分けられるように）このパターンを見れば、確かに水素が出した光だと分かる。そして、実験室で測定した周波数に比べて、天体の出す光はどの周波数の成分も全部きっちり同じだけ低い方にずれている。さらに、他の原子が出す光のセットも、やはりちょうど同じだけ低い方にずれている。間違いようがありません。このずれ（赤方偏移：せきほうへんい）で速度が分かるのです。
　ヒトが住んでいる天の川銀河のすぐ近くにある「アンドロメダ大星雲」はたまたま天の川銀河に近づいてきているので、周波数が高い方にずれます（赤ではなく青方偏移）。
　ちなみに、光を周波数の成分ごとに分けて調べるこのような計測をやる分野を「分光学(ぶんこうがく)」と言います。
　なお、遠ざかっているか、近づいているか、という方向の速度（視線速度）は、このように正確に測れるんですが、視線と直角の方向に動いている速度の方は旨い測り方がありません。（ごく近くにあって高速度で動いているものならば、時間をおいて撮影した写真を比較して、天体の移動による位置ずれを測れることもあります。）

stomachman · Answer

またしてもstomachmanです。
LITHRONさんの仰る、「宇宙が収縮に転じたら時間が逆行する」という説も確かにあるんですが、stomachmanはそれは間違ってると思っています。少し難しい議論になりますが...

　もし「収縮する宇宙では時間が逆行する」んだとすると、その収縮する宇宙に住む住人にとっては宇宙は膨張している、という事です。収縮するものを時間反転して見れば膨張ですからね。つまり彼らにとっては、我々こそ「収縮する宇宙に住んでいて時間が逆転している変な連中」ということになる。
　もしそうだとすると、宇宙が膨らみ切って収縮に転じる、まさにその瞬間に我々と彼らが出会ったら？？そんなアホな事態が生じうることになってしまうのはおかしい。
　つまり「宇宙が収縮に転じたら時間が逆行する」のだとすれば、「宇宙が収縮に転じる時には、エントロピーが宇宙の至る所で一様になる」必要がある。これ以上の混沌はない、という状態です。宇宙が一様になっていて、もちろん天体も生物もない、どこへ行っても同じような希薄なガスがあるだけという状態になる必要がある。生命もないので変な連中と出会うこともない。それどころかマクロな意味での時間というものもない。（全くの混沌なので「さっき」と「今」の区別が付かない。）理論上、こういう経過をたどるとしか考えられません。これならば、時間の流れが逆である世界同士が繋がることができる。
　しかし、「こういう混沌、究極のエントロピー最大状態に至らない限り、宇宙は収縮できない」という物理的理由はないように思われます。単に宇宙全体の重力で収縮しはじめるだけなんだから、その時点で天体も生き物も残っていて良い。
　従って、tomokun_thさんが質問の中で「たぶん、...」と書いていらっしゃる描像が正しい。収縮がはじまっても、やはり同じ方向に時間は流れる。どんどん収縮が進むと、宇宙が狭くなり、いろんな天体が衝突・合体を始める。そのときにあれよ、あれよと天をあおぐ生き物が、やっぱりまだ居るだろう。そう考えます。
　もちろん、以上は「宇宙がいずれ収縮する」と仮定しての話ですよ。現在の観測結果では、その可能性は低くなっているようですが。

noname#25358 · Answer

補足です。

　俺の記憶違いでなければ、ニュートリノにも質量があるということになったはずです。
　それでもまだ重さが足りない。で、最終的に見つかった「ヒッグス」が決定打になったとか云々。
　この辺は難しくてよく分かりません(^_^;

宇宙って将来収縮するって本当？

うーん。

はじめにビックバン説自体は説なので未だに議論が続けられていることを一言。

この回答への補足

書き忘れていたので補足です。

こんにちは。

これ、こないだニュースでやってましたよ。

この回答への補足

皆さんが仰るとおり、重力によって再び収縮するかもしれない、ということです。

皆さんの回答に２点補足させてください。

この回答への補足

またまたstomachmanです。

またしてもstomachmanです。

補足です。

この回答への補足

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　これ、こないだニュースでやってましたよ。

　補足です。