なぜ、宇宙「空間」が広がっていると判るのですか？

宇宙は膨張していると、多くの本に書かれていますし、『白熱教室』の先生も言ってました。
この根拠は、観測できるすべての星がドップラー効果によって赤方偏移しているからだとも、モノの本で読みました。
しかし、広大な空間に、星がどんどん広がっているのではなく、空間自体が広がっている＝大きく成長している、というのは、何故判るのですか？
できれば、高校生程度の理解力で判るように、お願いします。

No.11 回答者： TANUKIA 回答日時： 2014/07/30 08:20

>高校生程度の理解力で判るように

高校の数学で普通に分かりますが、
日常ではしない計算だし、学校でも宇宙の仕組みについては教えないので、
必要なことを調べて覚えるには時間がかかるかもしれません。


>宇宙は膨張していると、多くの本に

まず「膨張」と言うのが実質あやふやな言葉だと思って下さい。
例えば「宇宙の膨張」と「物質(とエネルギー)の縮小」は区別が付きません。
仮に宇宙に外側があったとして、そこから見た場合は区別が付きます。
NASAは触れる話題によっては「膨張」ではなく「内部の縮小」と言う言葉を使うこともあります。
これは自分(観測者)の大きさを1にしたら、
宇宙が膨張してることになって、そのほうが便利だから膨張と言っているにすぎません。



>空間自体が広がっている＝大きく成長している、というのは、何故判るのですか？
分かりません。
空間が広がることを指して膨張と言ってることはないと思います。
どこかの誰かが勘違いでそう言うことはあると思います。



>光速を超えて遠ざかっている星が観測されているのですか？
>それは、空間が広がっているのではなく、光速を超えられないという方が間違っている可能性ではないのですか？

移動してるわけじゃいので、光速とかは関係ないですよ。
でも遠ざかってるからその分が膨張分です。
光が発する位置とその時の宇宙があって、届いた時の位置と宇宙があります。
光は進みますが、進んでる最中も常にその時の宇宙と、その時の光の位置があります。
なので時間を考えないといけません。
また、膨張率も常に一定ではありません。

もちろん、現時点で「とても遠い天体」から発せられた光は永久に届きません。(膨張がこのまま続くならば)。
ただ、過去に於いても同一の天体が同一の距離だったわけでなないわけで・・・
(もちろんこれは移動して遠くなったと言う意味ではありません)



>空間自体が予めあって、物質の元だけがビッグバンしても、そうなるのではないだろうか？というのが私の疑問でした。

いろいろあって大変なのですが、
まずビックバン理論は宇宙がどうこうってゆう理論じゃないです。
単に、こうゆうふうに膨張してるんだったら、未来の物質密度はどうだろう、過去の物質密度はどうだろう、ってゆうのを出しただけの計算です。
(ちなみに、ビックバン理論と言う名前は「その理論だと過去は物質の高密度で大爆発になるじゃないか」と馬鹿にされてビックバンと言う名前になりました)。

また、空間に関しては素粒子力学的な考えからすると、バンのあとに出来た可能性も高いです。
(空間は素粒子のスピンに起因すると言う考えがあるため)。

あと、物質の元はたぶんエネルギーです。
電磁波と物質は相互変換が可能だからです。


すごい適当で単純な考え方をすると、
もともと純粋なエネルギーがあって、その密度が薄まって宇宙(今の物理ルール)が出来たと考えれば良いのではないかと思います。
なんで薄まった(膨張している)かは誰も知りません。

No.10 回答者： psytex 回答日時： 2014/07/29 21:53

空間の膨張は、物体の収縮と等価です。

空間の膨張は光速cの低下、物体の収縮はプランク定数hの収縮で、
どちらであっても、区別はつかない（等価）とされます。
空間の膨張と同時に物体も膨張したら、見た目上、何も変わりません。

No.9 回答者： 05473igar 回答日時： 2014/07/29 13:49

何もない空間を、全ての銀河が内から外に向かって、広がり移動しているだけかも知れない、ということでしょうか。

しかし、銀河同士は重力を持ち、引き合っているはずが、離れています。
さらに銀河の移動スピードは加速しているので、これを慣性の法則では説明できません。

よって銀河と銀河の間は、何もない空間ではなく、エネルギーを持った何かが存在し、それが全体を膨張させているのです。
それが何かは解明されていないが、ダークエネルギーと呼んでいます。

No.8 回答者： s_hyama 回答日時： 2014/07/27 13:18

>それは、空間が広がっているのではなく、光速を超えられないという方が間違っている可能性ではないのですか？

時間てｘｘｘカウントしたら1秒とか、太陽の回り一回回ったら1年とかという周期なのね。
今と昔の速さが違っても、その周期で時間の進み方を感じるから、速さが問題じゃないの
光速度を越えれない観測されてないのは、今の時間で局所的なエネルギーね。

No.7 回答者： princelilac 回答日時： 2014/07/27 01:45

「宇宙が膨張する」ことと「星間距離が広がっている」ことは別のことです。

「宇宙が膨張する」ためには、原子レベルで膨張しなければなりません。つまり地上にあるあらゆる物質の体積が膨張しなければ、宇宙が膨張することができないのです。そのような現象が起こっているのでしょうか？

巨大な星の周囲など、重力の大きい宇宙空間では、空間が歪むということが知られています。直進するはずの光が、曲線を描いて伝わるります。そうすると、位置関係からでは他の星の陰になって見えるはずのない星が見えるのです。

遠くにある星ほど光の通る道の歪みが大きくなり、「遠い星ほどドップラー効果が大きくなる」→「遠い星ほど速く遠ざかる」という結論に至っているようです。

一度広まって定着した理論を覆すことは非常に難しいものです。特に天文学の専門家であれば、私の回答を一斉に叩くでしょう。天動説に異を唱えて、墓場まで暴かれた天才が昔いましたね。

No.6 回答者： s_hyama 回答日時： 2014/07/26 13:22

＞星がどんどん広がっているのではなく、空間自体が広がっている

一つは、例外を除き均等に宇宙論的赤方偏移しているから
もう一つは、物体は光速を超えれないので光速を超えて広がっているように観測されているから、
空間が広がっている。

＞空間自体が広がっている＝大きく成長している、

成長といえるのかどうかはわからないよ
膨張宇宙って、時間の変化に対する概念だよ？

また、膨張とは時間変化に関する概念ですから、
http://legacy.kek.jp/ja/event/Ecoll-Sympo/answer …

この回答への補足

回答ありがとうございます。

光速を超えて遠ざかっている星が観測されているのですか？
それは、空間が広がっているのではなく、光速を超えられないという方が間違っている可能性ではないのですか？

補足日時：2014/07/26 18:01

No.5 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/07/25 18:20

とっても良い質問です。

説明を鵜呑みにしない姿勢は、科学を学ぶ上で最も大事な事です。
「なぜ、宇宙が広がっていると言えるのか？」
まず、そもそも、星までの距離を測る方法があるのか？
　近くの星でしたら、天文単位( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E6%96%87% … )やパーセク( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%91%E3%83%BC% … )で表せる範囲の天体では、赤方偏移は観察されませんし、意味ありません。

　これには長い歴史があって
1) 他の恒星や銀河(系宇宙)までの距離は、測定方法はありません。
2) 星や銀河から届く光を観察すると、本来のスペクトルからずれる。
　ただし、単にずれるのでしたら今まで紫外にあった光が可視光領域にずれるので観察できない。
　光をプリズムなどで分光すると現れるフラウンホーファー線( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%A9% … )でずれていることが確認できる。
3) 不思議なことに、ごく一部の近距離にあるとわかるもの(パーセクが有効な距離)以外は赤方にずれたものしか観察できない。
　暗いものほど、ずれが大きい。
★ドプラー効果以外では説明できない。
　　ときどき宇宙空間にある物質によって夕焼けが赤いように赤く見えるという
　話がありますが、それはフラウンホーファー線もずれていることから否定できる。
4) 恒星ではなく明るさが一定と考えられる外銀河を観察すると、暗い≒遠いであろう星雲ほどずれが大きい。

5) 遠くからすべての星が、太陽系ができるはるか昔の遠い銀河ほど、地球から遠ざかり始めたことになる。

6) そうすると、我々が否定したはずの地球中心の天動説--宇宙は地球を中心--に帰結する。断じておかしい。(だろう)

7) 膨大な数の観測結果から、明るさではなく、赤方偏移の大きさでその天体までの距離を類推するほうが正しいと結論付けられた。

　一般的に、外銀座を構成するひとつひとつの星は観察できません。

　時々、超新星が現われ、それは一つの星なのにとてつもなく遠い位置にあると赤方偏移は示す。
　その他、様々な観察から、宇宙の空間自体が広がっているとすると観察結果がすべて説明しうることが分かった。
　個々の銀河内や、個々の太陽系の内部が広がっているわけではありません。それらは万有引力の法則に従います。

ゴム風船の表面に小さなシールを貼って、風船を膨らませる。---とイメージすればよい。

　これは当然、時間を遡れば一点に集まっていたことを示す。

　⇒宇宙の130億年を、2分半で体験する（動画あり） « WIRED.jp( http://wired.jp/2014/05/13/supercomputers-simula … )

この回答への補足

回答ありがとうございます。

今までの回答を読んできて、結局のところ、赤方偏移の度合いは距離にのみ依存する、ってのがカギですかねえ。
ビッグバンのイメージがただの爆発というより、空間が（細胞がそうであるように）増殖すると言うようなイメージに変わりました。

補足日時：2014/07/25 18:51

No.4 回答者： SPROCKETER 回答日時： 2014/07/25 17:18

　宇宙が膨張しないで静止しているとします。

すると、宇宙空間に存在する物質の重力で宇宙全体が縮み始めるはずですよね。

　もちろん、宇宙が完全にゼロ点に戻るまでに天文学的時間がかかるでしょうが、宇宙は静止状態では空間を維持出来ないわけです。

　それでは、宇宙が始まった時に静止状態だとしたら、物質がある宇宙の状態はどうだったのでしょうか。

　宇宙が静止状態で１３０億年も続いていたとしたら、宇宙の一方の端で起こる現象と他方の端で起こる現象には相互依存関係がなく、全く未知の現象が起こっているはずです。

　ところが、実際の宇宙は星や銀河があり、その形も良く似ていて、どの方向を見ても、同じような構造が広がっています。どこかで極端に構造が変わる場所が見つからないのです。

　そこで、宇宙には始まりがあって、全ての物質が一点から生成して宇宙全体に広がったと考えれば、互いに相互作用を起こして広がるので、類似した構造が出来上がる結果になります。

　波打ち際に立っていれば、目の前の海岸でも、海の彼方の海岸でも、同じように波が押し寄せ、砂がある海岸があるのと同じです。物質が違っていても、相互作用が同じであれば、酷似した構造が出来上がるのです。

　宇宙がビッグバンで生成し、現在も膨張を続けていなければ、相互作用に基づく類似性が生じるはずがありませんし、同じような構造が宇宙に存在するはずもありません。

　宇宙が膨張をしていなければ、宇宙の構造や類似性も説明出来ないわけで、静止状態の宇宙が１３０億年に渡って続いていたのであれば、宇宙のある方向では星や銀河が見え、もう一方の方向には何も無くて、宇宙全体と同じ質量を持つ巨大ブラックホールが一つあるだけでも良いはずです。

　１００億光年彼方の銀河でも渦巻き構造が見られるのは、宇宙が膨張によって始まったのを意味していますし、互いに相互作用を及ぼす環境下で膨張が続いて現在の宇宙に進化したと考えられるわけです。

この回答への補足

回答ありがとうございます。
銀河が同じ構造を持っていたりするのは、発生源が同じ（ビッグバン）だから、と思っていました。
空間自体が予めあって、物質の元だけがビッグバンしても、そうなるのではないだろうか？というのが私の疑問でした。

補足日時：2014/07/25 18:21

No.3 回答者： leo-ultra 回答日時： 2014/07/25 15:12

> しかし、広大な空間に、星がどんどん広がっているのではなく、空間自体が広がっている＝大きく成長している、というのは、何故判るのですか？

観測結果として、
１）地球からの距離に比例して、遠くの星ほどより赤方偏移している。遠くの星の方が広がりの速度が速い。
２）しかし、赤方偏移のしかたは、地球からの距離にのみ依存し、方向に依存しない。

仮に、地球とは異なる宇宙のある点を中心にして広がっているのであれば、地球から見たら、
方向によって赤方偏移の度合いは異なるはず。

仮に、星が広がっているだけならば、宇宙の中心でもない地球から見て、赤方偏移が方向によらないなんてことは説明できない。

観測事実を説明するひとつの考え方は「地球は宇宙の中心である」というもの。これならば、赤方偏移が方向によらない事実を説明できるが、地球は太陽のまわりを回っているし、太陽も銀河系の中心からだいぶ離れたところで、銀河中心の周りを回っているので、この説明は苦しい。

そこで、宇宙のどこからでも方向によらない赤方偏移が観測できるモデルとして、星が広がっているのではなく、空間が一様に広がっていると考える。

この回答への補足

回答ありがとうございます。
点から爆発して誕生したと言われる宇宙には当然、中心があるものだと思っていました。
どうも私には、
＞ある点を中心にして広がっているのであれば、地球から見たら、方向によって赤方偏移の度合いは異なるはず。
ここんところが、理解できてないみたいです。もちょっとじっくり考えてみます。

補足日時：2014/07/25 18:16

No.2 回答者： chie65535 回答日時： 2014/07/25 14:41

＞空間自体が広がっている＝大きく成長している、というのは、何故判るのですか？

誰にも判りませんよ。

「ある瞬間、自分の大きさが２倍になった」と仮定してみましょう。

その時、自分以外の他の物も、すべて大きさが２倍になっていたら、２倍になった事に気が付きますか？気が付きませんよね。

だって「２倍になったと判るのは、その瞬間に２倍にならないで、変化しなかった人だけ」なんですから。

なので、宇宙の外側から、客観的に宇宙を観測しない限り「空間自体が広がっている」のは確認出来ません。

誰にも確認出来ないし、誰にも判らないけど「赤方偏移しているのは、ドップラー効果のせいだ。ドップラー効果は宇宙が広がっているから起きるんだ」と考えれば「とりあえず、今までの観測結果と辻褄が合う」ってだけです。

もし、赤方偏移の原因が「原因はドップラー効果じゃありませんでした。」って事になったら「実は宇宙は膨張していませんでいた」って事になっちゃうかも知れません。

単に「ツジツマが合うから正しそうだ」ってだけで、誰も確かめていませんし、確かめるのは不可能です。

因みに、天文学では「ビックバン理論は、既に古くなった理論で、最先端の天文学者は信じてない」ですよ。

今の天文学は、観測技術が向上して来てて「ビックバンが起きる以前から存在していたとしか思えない、超遠方にある、古い、成熟した巨大銀河」が発見されて来ていますから。

この回答への補足

回答ありがとうございます。
ビッグバンが否定されているとは、知りませんでした。
もしよろしければ、その辺を（わかりやすく）解説されている書物など、教えていただけると嬉しいです。

補足日時：2014/07/25 17:59