宇宙の膨張の根拠は何？

Question

ビッグバン以降宇宙が膨張している、つまり空間がどんどん広がっているなぜなら、遠くにある天体ほど猛スピードで離れているからとの事かと思います。そこで、疑問なのですが、なぜ、これで宇宙空間がひろがっている（膨張してる）と言えるのでしょうか真空の宇宙空間がどんどん湧き出ているような感じは、ちょっと想像しにくいのです。
また、地球と太陽の間で突然空間が広がりはじめたら、太陽がどのどん遠くなるような事もあるのかな？？（ちょっと飛躍しているかもしれませんが） 。
「単に星が遠ざかっているだけ、ただしその起源は、ビッグバンの大爆発であるとは思いますが、宇宙空間そのものは元から無限であったのではないのか」こんなふうに考えていますが、どうでしょうか？

aster · Accepted Answer

宇宙の膨張は、理論的にも考えられていました。科学的なものとしては、アインシュタインの一般相対性理論で宇宙全体についての運動を計算すると：

宇宙の形状（形）として、同じような密度で、無限の果てまで広がっている宇宙（定常宇宙）と、遠くに行くほど、空間の体積が増えて行くという宇宙（拡大宇宙）と、宇宙は膨張していて、空間体積が増えつつあるという三つの代表的な解が得られました。

これについて、どのモデルが宇宙なのかということで、この頃、遠方の銀河などの「赤方偏位」という現象が発見されました。「赤方偏位」の原因として、もっとも普通に考えられる理由は、「ドップラー変位現象」で、これは、遠ざかる物体から出る波は、振動数が減る、つまり、色なら、赤い方にずれるという現象でしょう。

「赤方偏位」は、距離に比例して起こっており、遠くに行きほど大きくなっているので、ドップラー変位で説明すると、遠くの銀河ほど、地球や太陽系から離れていっているということになります。それも遠いほど、離れ方が大きくなっています。

赤方偏位は、「ドップラー効果」なのか、それとも別の原因なのか、色々な議論がされました。結果的に、ドップラー効果だと考えるのが、もっとも妥当だという結論に達しました。従って、ドップラー効果でない可能性もあります。

ドップラー効果が原因だと、遠くの銀河は、地球などから、みな、離れて行っているということになります。それも、遠方になると、光の速度の５０％とか８０％とか、９０％とか、というようなもの凄い速度です。

それも、地球を中心に、すべての銀河が離れていっているように見えます。これについて、太陽系やその銀河を中心として、宇宙は離れて行っているのだろうか、という議論が行われ、これは見かけのことで、すべての宇宙の銀河の互いの距離が、段々離れて行っているので、太陽系が宇宙の中心にあって、諸銀河が、そこを中心に離れて行っているのではないという結論になりました。

勿論、実は、太陽系が中心で、静止していて、他の銀河が太陽系やその銀河から離れているのかも知れません。ただ、そう考えると、何故、特に太陽系の銀河が中心なのか、で、理由が考えにくいので、全体に宇宙は膨張しているのだという考えが妥当となりました。

＞真空の宇宙空間がどんどん湧き出ているような感じは、ちょっと想像しにくいのです。

宇宙が膨張しているとすると、空間当たりの物質の密度は、段々減って来ます。これに対し、宇宙の密度は、膨張に関わらず一定であるという理論を、イギリスのフレッド・ホイルという学者が出しました。膨張に応じて、物質が「無のはずの空間」から生み出されいるという理論です。

いまでは、ホイルのこの理論は妥当とされていません。他方、質問にある、「空間が湧き出している」というのは、正確ではありません。空間は、実は物質と密接な関係にあり、将来、宇宙が何兆倍、何億京倍とかに体積膨張すると、もしかすると、空間の性質に変化が起こって来るかも知れません。

しかし、現在は、どういうことか、空間が膨張しているということが分かっています。あるいは空間が湧き出しているのかも知れませんが、もう少し異なる機構で、膨張していると考えられます。

＞地球と太陽の間で突然空間が広がりはじめたら、太陽がどのどん遠くなるような事もあるのかな？？

どういう理由で、そうなるのか分かりませんが、もし空間が広がり始まれば、太陽と地球のあいだの距離は広がって行くことになります。現在でも、非常に微小な規模で広がって行っているということになります（宇宙膨張により）。

＞「単に星が遠ざかっているだけ、ただしその起源は、ビッグバンの大爆発であるとは思いますが、宇宙空間そのものは元から無限であったのではないのか」こんなふうに考えていますが、どうでしょうか？

「空間」というのは、「何もないところ」というものではないのです。現在の物理学では、「物質あっての空間」で、「空間あっての物質」で、物質に関係のない空間というのは考えることができません。「空間」から、仮想過程で、光が出てはまた空間に吸い込まれているというのは、「空間」が何もない場所でないということを示しています。

「存在の場としての《可能性空間》」というものがあれば、この世界の空間と別に、無限にあるの「かも知れません」。

しかし、この世界で考えている「空間」は、上に述べたように、「何もない空間」ではないのです。それ故、無限にあると考えられる場合も、有限の場合も、「この空間」は、無限の場合は無限、有限の場合は有限です。

なお、宇宙は無限か、という話については、次の質問のわたしの回答を見てください。他の方の回答も参考になります。

＞No.273574 質問：宇宙は無限？ 
＞http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?qid=273574

また、膨張により、銀河同士が、光速を越える速度で離れて行くという話は、次の質問の回答のなかに、その話があります。

＞No.228574 質問：永久に会えない星たち 
＞http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=228574

参考URL：http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?qid=273574,http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=228574

Singollo · Answer

> 確かにドップラー効果については、ビッグバ
> ンの話ではよく出てきていますので理解でき
> ますが、ただ、それと、空間が広がっている
> との関連がよくわからないのです。最初から
> 無 限の宇宙空間が存在していた前提では、
> ビッグバン理論は成立しなものでしょうか

ビッグバン宇宙論は、宇宙が無限小の点から始まったとするものですから、おっしゃるような、宇宙に始まりは無いとする定常宇宙論とは両立しないと思います

また、『膨張している』という表現から、『宇宙に果てがあって、その果てが遠ざかっている』という印象を持たれたかもしれませんが、それとはちょっと違う風に考えられています
ゴム風船を想像してください
表面は2次元ですが、これが3次元の場合を考えるのが分かりやすいと思います
天体は表面に散らばっています
表面で暮らしている我々には、ゴム風船の外や中の高次元の空間は認識できません
ゴム風船が膨らむと、天体間の距離が広がりますが、宇宙の果ては最初から一貫してありません
つまり、ゴム風船自体は無限小から始まったが、ゴム風船の発生した(われわれの認識できない)高次元空間はその前からあったのかもしれないわけです

ceita · Answer

結構難しくなってきました。
私のつたない知識では答えられなくなってきました。
参考ＵＲＬの中の、
http://homepage3.nifty.com/iromono/kougi/timespace/timespace.html
という講義がわかりやすくて
良いのでは無いでしょうか？

参考URL：http://homepage3.nifty.com/iromono/

wolv · Answer

とりあえず，質問者の方と同じ疑問をもつようになりました．

ドップラー効果（赤方転移）転移では，
他の星々が地球から離れていくことを示すだけで，
空間が広がっていくことの証拠とはならない気がします．

図示すると，

　　　　　　　　　【．地．．．】
　　　　　　【　．　地　．　．　．　】
　　　【　　．　　地　　．　　．　　．　　】
【　　　．　　　地　　　．　　　．　　　．　　　】

ではなくて，

【　　　　　　　　　　．地．．．　　　　　　　　　】
【　　　　　　　　．　地　．　．　．　　　　　　　】
【　　　　　　．　　地　　．　　．　　．　　　　　】
【　　　　．　　　地　　　．　　　．　　　．　　　】

となっていると考えても説明できるのではないか？
ということですよね．

別に，地球が中心じゃなくても，もともとある無限の空間の中を
物質が一様に膨張していけば，同じ現象になるような気がしますが，
その辺どうでしょう？

気になるのは，
１．遠く離れた星同士は光速を超えた相対速度で遠ざかることになる？ことと，
２．宇宙の端が存在することになる？こと．

１は，速度によって時間の進み方が変わることを使うと説明がつくような気がします．

------------------------------------------------------------
ところで，次元を一つ落として，膨らんでいく風船の表面が宇宙であるような考え方ありますよね．これだと，宇宙の中心というものは存在しないが，宇宙の大きさ（表面積）は限られているとかなんとか．この場合のあえて中心を探すなら，風船の中心がだけど，これは，宇宙（風船の表面）にはない．

で，次元をもとにもどすと，宇宙の中心はないけれど，宇宙の大きさは限られている．あえて宇宙の中心を探すなら，それは（現在の）宇宙の中にはない．ビッグバン（の元，100億年？前に宇宙があったところ）が宇宙の中心である，ということかな．

上の風船の例では，空間内（風船の表面上）での測定で，空間が曲がっていることがわかりますね．例えば，３角形の内角の和が180度以上になる，など．

同様に，膨らんでいく空間（空間内での方向を表す３つの方向とは別の方向へ膨んでいく空間）というモデルだとすると，やはり空間が曲がっていることになるのでしょうか．空間の曲がりは測定されているのでしょうか？

------------------------------------------------------------

なんだか，うまく表現できない．ごめんなさいね．

QuteBisha · Answer

「静止した空間を単に星が遠ざかっているだけ」という解釈ができないか？とういことだと思いますが。

次の根拠から考えにくいと思います。

○地球から見て「どの方向」のどの星も、「遠い星ほど速く」移動している。これは非常に不自然な広がり方です。
　地球が大昔の爆発の中心付近に存在する場合は、どの星も近かろうが遠かろうが同じ速さになる気がします。
　地球が爆発の中心から離れた場所にいる場合、方向によって星の速さが速かったり遅かったりする気がします。

○一般相対性理論を宇宙全体に当てはめて解くと、宇宙が静止している可能性が非常に低いことがわかっている。これにはいくつかの解が知られていて、宇宙は膨張か収縮することになるとされています。

gimpei · Answer

「ホーキング宇宙を語る」に確か載ってましたが、この宇宙では１０００億以上の銀河がある訳で、もし宇宙が膨張してなければ、その銀河全ての重力で宇宙は収縮してしまうそうです。もし宇宙が膨張していなかれば、その重力をバランスさせる「何か」が必要になります。

アインシュタインの宇宙方程式がこういう説のベースになっているんでしょう。で、この式は最初、この重力問題を解消するために、宇宙項と呼ばれるものが入ってました。後にアインシュタインがこれを「人生最大の失敗」と嘆いたのは有名な話です。

「最初からあった無限の宇宙」
これって、昔の学説にある「定常宇宙論」みたいなものですね。でも、これでどうやって「赤方偏移」という現象を説明できますでしょうか？無理矢理で、真空の何らかの干渉で光が拡散してる、夕焼けみたいな説でも考えますか。

ビッグバン以前の宇宙をイメージするなら、まずはこの宇宙が唯一だという固定観念を外すということも試してみては？今の学説でも、メニーユニバースとか、マザー＆チャイルドユニバースなんか、そういう考え方じゃないでしょうかね。

ceita · Answer

救急車のたとえ話はご存知ですよね？
離れていくサイレンは音が低く聞こえるという奴です。

たとえ話なんですけど。
もしここで、
あなたは目隠しをしています。
あなたの周りにたくさんの救急車が走っています。

本当ならば、
近づいてくるのも有れば、
遠くへ走っていくのも有ります。
なのに、すべての救急車のサイレンは低く聞こえるばっかりです。

このとき、目隠しされたあなたは、
サイレンの音から救急車はどうなっていると
考えるのが妥当ですか？

・・・

わたしなら、
すべての救急車が自分から離れる方向に進んでると、
判断します。

つまりこのことから、
すべての星は
離れる方向に進んでいると考えているわけですね。
（実際には離れる以上の速度で
こちらに近づいてくるものもいるのですが）

最初から（無限に？）広い宇宙があるという理論を考えるとなると、
ビッグバンとは相容れないと考えていいと思います。

noname#5646 · Answer

１５０億光年より遠い宇宙は観測できない。その理由は、光速以上で地球から遠ざかっていて、光がこちらに届かないから。・・・という話はご存じですか？これは厳然たる観測事実で、認めるほかありません。
ここで気が付いて欲しいのは、相対性理論により、光速以上で移動するものはあり得ないということです。この法則を破ることは出来ません。つまり、遠くの宇宙が光速以上で遠ざかっているのは、空間を天体が移動している為ではなく、空間そのものが広がっているから、としか考えようがないのです。
そして、空間の膨張は宇宙のどの位置でも均一だとされています。地球が宇宙の中心ではないので、宇宙のどの位置で観測しても同じ結果ということです。そして、１５０億光年より向こうは、見えないけれど何処まで何が続いているのか、知りようがありません。
宇宙の膨張については、アインシュタインの一般相対性理論から、数学的に導かれました。しかし、アインシュタインでさえその意味を理解できず、宇宙が膨張するのはおかしいと考え、何処が間違っているのかと悩んだそうです。エドウィン・ハッブル博士の研究で宇宙の膨張が観測されるまでは。

人間の能力で直感的に宇宙の膨張を想像するのは、相当難しいようですよ！？

Singollo · Answer

ドップラー効果って聞いたことありますか?
車が目の前を走り抜けていくときに、近づいているときは音が高く、遠ざかるときは音が低く聞こえるアレです
光でも同様のことが起こり、高速で近づく物体から出ている光は波長が短く(青っぽく)、遠ざかる物体から出る光は波長が長く(赤っぽく)なります
で、地球から遥か離れたクェーサーなどの天体を観測すると、遠ければ遠いほど赤色方向への変移が観測されるので、遠いほど速く遠ざかっている、すなわち、宇宙が膨張しているのではないか、と推測されるわけなのだそうです

sugarball · Answer

介入してごめんなさい。回答ではなく類似意見です。

宇宙は膨張を続けている、というけれど１秒前まで宇宙でなかった空間（で今は宇宙）はじゃあなんなんだろう・・・・と長らく疑問に思っていました。３次元空間で育ったこてこての３次元人間なので４次元感覚が理解できていません。今回似たような（でも、よく読むと、根拠についての質問なので微妙に違いますね）質問を見つけて嬉しくなったのでついお邪魔させていただきました。

漫画家、萩尾望都の作品で「百億の昼と千億の夜」のラストがやはり宇宙（時空？）の果てを追い求めると、そこにはまた外の世界がある、というような内容で、私の疑問に近いような感覚を味わいました。どうしても閉ざされた空間をイメ－ジしてしまうからだとは思うんですが。

納得できる回答がみつかるといいですね。乱入して失礼しました。続いて書き込みする方が、質問本文の意味を理解する妨げになりませんように！

宇宙の膨張の根拠は何？

> 確かにドップラー効果については、ビッグバ

結構難しくなってきました。

とりあえず，質問者の方と同じ疑問をもつようになりました．

「静止した空間を単に星が遠ざかっているだけ」という解釈ができないか？とういことだと思いますが。

「ホーキング宇宙を語る」に確か載ってましたが、この宇宙では１０００億以上の銀河がある訳で、もし宇宙が膨張してなければ、その銀河全ての重力で宇宙は収縮してしまうそうです。

救急車のたとえ話はご存知ですよね？

１５０億光年より遠い宇宙は観測できない。

ドップラー効果って聞いたことありますか?

この回答への補足

介入してごめんなさい。

似たような質問が見つかりました

関連するカテゴリからQ&Aを探す

デイリーランキングこのカテゴリの人気デイリーQ&Aランキング

マンスリーランキングこのカテゴリの人気マンスリーQ&Aランキング