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？

entis · Accepted Answer

検索をかけると私のページが紹介されているみたいだったので、ちょっと前の質問ですが、私の知る限りの知識での回答と、補足説明をさせていただきたいと思います。
（全然、マトモな説明してないですし、ホームページで）

下の回答者に追従する形になるのですが・・・；
まず宇宙の始まりはビッグバンだったという説は今マイナーになりつつあります。もう少し正確に言うなら、ビッグバンの前にインフレーションと言う現象があったと言われています。
インフレーションもビッグバンも宇宙の膨張なのですが、結構誤解されがちなのが膨張という言葉の意味です。
ここで使われている膨張とは、宇宙そのものの膨張のことを言っているのであって、ある空間の中を物質が広がっている様子を言っているわけではありません。
つまり、空間そのものが膨張しているのであって、全く静止している２つの観測点A、Bから、お互いを観測すると膨張している宇宙の中では、その距離はどんどん広がっていきます。
因みに、空間そのものが膨張する速度は光の速度よりも速くても良いので、インフレーションが起きた期間には、光の速度よりも速い速度で宇宙が膨張したと言われています。

それと、下で補足されているのですが、私からも（コレは個人的な考えですが）補足させてもらうと、宇宙が膨張から収縮に転じたとしても、時間の向きは逆転しませんし、エントロピーも増大の一途をたどります。
別に宇宙が収縮するからと言って、宇宙全体のエントロピーが減少する必要はないからです。

さて、では本題の質問の回答ですが、なぜ宇宙が将来収縮するかもしれないのか？
これは、身近な例に例えて言うなら、ボールを空に向かって投げたときのことを考えればいいと思います。
ボールを上に投げても、しばらくすると落ちてきますよね？
もっと強く投げれば、もうちょっとは長く宙を舞っていますが、しばらくすると落ちてきますよね？
じゃあ、第２宇宙速度と言うとてつもなく速い速度でボールを投げるとどうなるでしょうか？
ボールは永遠に落ちずに、宇宙の彼方まで飛んでいきます（太陽に落ちるかもしれませんが、とりあえずここではそれは考えないことにして）
宇宙が膨張しつづけるか、それともある時点で収縮に転じるかは、このボールとよく似ています（あくまで便宜的説明ですが）。
つまり、宇宙がビッグバンで膨張をはじめたときの勢いと、宇宙の中に存在している収縮力と膨張力の和によって、永遠に膨張を続けるかどうかが決まります。

因みに、補足ですが、いわゆる重力による引力は、物体が単に引き合う力として理解するよりも、空間が縮もうとする力だと理解したほうが良いと思います。

noname#236 · Answer

またまた補足というか、付け足しです。前の方もおっしゃっている宇宙の質量についてですが、現在未知の物体である「ダークマター」によって左右されるようです。なにしろ現在知られている宇宙の全質量より、はるかに大きい質量だそうですので.....(「そんな物はない！」と言う人もいるらしい。)
この謎が解けない限り、解明は出来ないと思います。
わかりやすい文章のHPを紹介しておきます↓
http://www.cosmo.kawabe.or.jp/school/7th/tk970201.htm

時間と空間の関係についてはココ↓
http://webclub.kcom.ne.jp/mc/entis/feature/imaginary_time/main.html

noname#25358 · Answer

補足です。

　そのニュースを見たのがもうすでにだいぶ前になってしまっていますが、ニュートリノの質量を全部足してもそれでも重量が足りないため、ニュートリノに重さがあるにも関わらず宇宙は膨張しつづける、という回答に結びついた、というようなことでした。
　本当かなぁ(^_^;

noname#236 · Answer

久しぶりに覗いて見ましたがすごい事になってますね。回答者の責任は重大だ（笑）

自分の回答に補足させてください。

宇宙が収縮に転じるかどうかは宇宙に存在する物質の量によって決まると言われていますが、 
空間が収縮する、時間が逆転する、どちらも宇宙の外から見ればそう見えると言う事であって、もしそうなったとしても、宇宙の中から見れば相変わらず時間は進みますし、空間は広がりつづける様に見えるでしょう（遠くの星ほど赤方偏移） 
ただ、時間・空間のどちらか片方だけが逆転する事はない、と言う事を言いたかったのです。時間と空間は同一要素なのですから。

stomachman · Answer

またまたまたしてもstomachmanです。おじゃまさま。

アインシュタインの宇宙項Λはとても有名ですね。かつては「あのアインシュタインが間違えた」っていうんで、例の舌を出している写真と共に「人間、アインシュタイン」を象徴するエピソードのように言われていました。
まだ宇宙項があると決まったわけではありませんが、あるとすればその原因は「真空の中からエネルギーが湧きだしてくる」ということじゃないかと考えられています。エネルギーというのはある状態をゼロと決めて、その差し引きで考えなくてはならないので「真空の状態が変化して沸き出して来る、というのも一応アリ」なんですよ。この辺は大変難しい話でして...
なお、エントロピーについては
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=19212
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=25381
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=17174
ニュートリノについては
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=26943
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=26624
をご参照下さい。

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(^_^;

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。

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。）

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

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。

宇宙って将来収縮するって本当？

検索をかけると私のページが紹介されているみたいだったので、ちょっと前の質問ですが、私の知る限りの知識での回答と、補足説明をさせていただきたいと思います。

またまた補足というか、付け足しです。

補足です。

この回答への補足

久しぶりに覗いて見ましたがすごい事になってますね。

この回答への補足

またまたまたしてもstomachmanです。

補足です。

この回答への補足

またしてもstomachmanです。

またまたstomachman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

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。

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　補足です。

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