重力と光について

Question

(1) ４つの力のうち、重力はとても弱いけれど遠くまで届く、ということ
を何かで読みました。 たとえば地球や太陽の重力はどのくらい遠くまで
影響するのでしょうか？ （せいぜい太陽系内？）

(2)１４０？１５０億光年彼方にあると思われる天体を撮影した、といわれる
写真がありますが、素朴に疑問を感じます。

それだけ遠い距離であれば、途中に無数の星やさまざまな物質があるでしょうし
他の物質に吸収、反射、錯乱等されて、光のエネルギーがものすごく減少して
しまい、地球に届くまでに、ほとんど消えてしまうのではないでしょうか？
また、必ずしも光をまっすぐに届けてくれること「場」ばかりではなく、
とんでもない方向に光を曲げてしまう空間もあるのではないでしょうか？
だから、１４０～１５０憶光年といっても、ほんとうはもっと近い天体の
から発せられた光でる可能性もあるように思うのですが。
このような理由から
赤方偏移の説明を読んでも、あまり説得力を感じないのですが。

どなたか教えてくだされば幸いです。よろしくお願いいたします。

First_Noel · Accepted Answer

＃３さまの，
＞電磁気力では、デバイ長と呼ばれる長さまでしか到達しません。
なのですが，これはプラズマ中，即ち正電荷と負電荷が混在しているような
状況の場合，ですね．正電荷があれば負電荷がそれに引かれてやって来て，
正電荷の周囲に負電荷がうようよするので，両者の電場を足し合わせると，
デバイ長のオーダーで０になる，と言うものです．
でも単独の正電荷，負電荷があれば，その電磁気力は理論的には無限遠まで
作用します．（実際には・・・＃１カッコ内と同じ記述です．）

＞宇宙原理、でしたっけ？ 「宇宙は、だいたいどの部分でも同じ、等方 
＞である」という考え方が納得できないんです。 

確かにウォールとボイドと，微視的（と言っても宇宙的に微視的，ですが）に
見れば不均一であると思います．
ところがそのウォールとボイドの構造が宇宙の中の何処ででも見れたら？
例えば金網を例に挙げると，目を近付ければ「針金」と「穴」との構造ですが，
目を離すと「金網」と認識することがあると思います．
と言う，「目を離したとき」「巨視的」に見た場合，宇宙は「ほぼ均一」である，
と表現されるのだと思います．

＞でもとんでもなく広い宇宙で私達の物理が通用しない「場」もありそうな気 
＞がするのです。（根拠はありません。女の勘です。えへへ） 

今のところ，大体のところは現在の物理的知識で説明可能ですが，
「物理」とは「真実そうなっている」のではなく「そう表現すると説明できる」と
言う体系ですから，そうですね，いろいろ新しいものを定義する前に，まず現状の
知識で説明しようとする，説明できるならＯＫで，できなければ新しい理論が生ま
れる・・・自然科学の世界で累々と行われて来た思考順序です，
それはもうまだ我々の知らないこともあることでしょうし，真実はそうじゃないのに
ある数式で解決されたとされている現象・・・なんてのもあるかも知れませんが，
それは物理の範疇を越えて，哲学や宗教にまで及ぶかも知れませんね．．
相対論は，今のところ現象論として矛盾は出ておらず，むしろ実験では理論予測と
同じ結果が得られる，と言うところが適用可能と判断されている所以です．
自然科学ですから，もしひとつでも矛盾が見付かれば，その矛盾が正しいとすれば，
相対論は修正されるか破棄されるでしょう．

＞人類は校正的作業ができるほど、宇宙の全体像がつかめているのでしょうか？ 
＞素人が理解できないだけで、科学者にはわかっているのかなあ？？

これは，「正確な値が出ている」と言うよりは，「他のもので矛盾ない値が出ている」
と判断できる範囲内で実際上，「校正」と呼ばれます．
実際には，宇宙を写すカメラ（現在はＣＣＤカメラが多い）は，宇宙以外のもので
校正されています．このとき用いるものには，定義通りの明るさで光る電球（標準
光源，又はｎ次標準光源）とか，形状の固定されたモノとか，そういう地上のもの
で校正作業を行います．

例えば，お手製カメラを作りました．
ちゃんと写るかな？
目の前にある花を撮ってみました．
見た目通り写りました．やったぁーカメラできたっ！！
これは，目で見たものと，カメラとの撮像を比較して，矛盾ないと言う意味で，
「ちゃんと写った」，即ち，カメラの完成です．
しかし「果たして真実の姿は目に見える姿と一致するか？」と言う問題もあります．
その場合，「ちゃんと写った」とはどういうことかの定義から揺れますね．

noname#108554 · Answer

(1) 同じ逆自乗則に従う電磁気力では、デバイ長と呼ばれる長さまでしか到達しません。
これは、電磁気力は、反発力と引力があるからです。
中性原子は分解すれば、電子と陽子、ともに荷電粒子ですが、
原子は、電荷をもっていません。（十分遠くから見れば）

重力にも反発力があれば・・・
宇宙の姿はがらっとかわるでしょうな。

(2)これはですね、実は話が逆なんです。
あれほど遠方にあるのに見えるということは
宇宙にはこれこれの物質しかないはずだ、ということを計算で出せます。
距離はまた別の方法で算出します。

昔、読んだ本によると、我々の銀河系内部だと、
1kpc=3000光年あたりで1～2等級ぐらい暗くなるらしいです。
この数字をあてはめると、なんと、銀河の反対側で起きた超新星でさえ、
くらすぎて観測できなくなってしまうんですね。

hagiwara_m · Answer

(1)について少しだけコメントします。

４つの力（重力、電磁気力、弱い相互作用、強い相互作用）のうち、通常目にすることができるのは重力と電磁気力だけです。この２つの遠方への効果の違いは明確です。電荷には正負があります。そして、巨視的な物体は、普通、この正負の電荷が中和して安定化しています。そのため、巨視的な正または負の電荷というものはまず存在することはなく、したがってその運動によるローレンツ力もないので、宇宙的なスケールで電磁気力が問題になることはほとんどないわけです。

ところが、重力には引力しかありません。物質が集まって大きくなればなるほど、万有引力は大きくなる一方です。ですから、宇宙的な構造を決めるのに、重力は決定的な役割を果たすわけです。このような意味で、地球の重力そのものは、宇宙の遠方では無視すべき程度に小さくなりますが、地球、太陽系、銀河系、銀河群、、のような集団的構造の一部を担うという意味で、最後まで意味をもつと言えると思います。

核力である後の２つの到達距離が短いことについては、その相互作用のメカニズムに由来する根本的な理由があると思います。このことは、場の量子論に通じていないと説明が困難です（したがって私にはできません）。

First_Noel · Answer

（１）重力や電磁力は，無限遠まで影響を及ぼします．
　　　（しかし力の伝達速度は光速を越えませんので厳密には無限遠では
　　　　ありませんが．）
　　　その代わり距離の逆２乗で力は小さくなります．
　　　例えば占星術では惑星の位置は，その人の人生に影響を及ぼすと
　　　されていますが，その惑星の重力の影響よりも，助産婦さんの重力の
　　　方がずっと大きいことでしょう．

（２）確かに途中で吸収・反射・散乱（錯乱ではなく）はありますが，
　　　それによる損失を持ってしても「見える」ようにしたところが，
　　　技術革新だったのです．
　　　実際は「可視光線」のみならずいろいろな電磁波で観測しますが，
　　　その電磁波の強さは，光子数個とか，そんなレベルの非常に微弱な
　　　ものです．それを増幅器で増幅しても尚微弱であるので，何日もかけて
　　　露光します．長時間露光すると，雑音は平均化されてしまうので，
　　　有意な信号が取り出せるのです．（勿論，校正も行います．）

赤方偏移について．
確かにドップラー効果に従えば，非常に強力な測定手段です．
しかし重力場の影響でも赤方偏移は起こり得ます．
その為に，「校正（キャリブレーション）」を行い，考えられるほかの要因を
排除して，時空を越えての批判にも堪えられるようなデータを取得すること，
これが科学者の仕事です．

重力と光について

＃３さまの，

(1) 同じ逆自乗則に従う電磁気力では、デバイ長と呼ばれる長さまでしか到達しません。

(1)について少しだけコメントします。

（１）重力や電磁力は，無限遠まで影響を及ぼします．

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