◎二七八の三『138億年の日本史』20世紀の天文学(20世紀前半)

2017-06-01 22:33:55 | Weblog
278の3『138億年の日本史』20世紀の天文学(20世紀前半)

 1915年から16年にかけて、物理学者のアルバート・アインシュタインは、次の重力方程式を世の中に提出する。
 {Rμv-1/2(gμvR)}+Λgμv={(8πG/Cの4乗)Tμv}
ここに左辺の第1項は、時空(時間と空間)のゆがみ具合、第2項は宇宙定数で宇宙が重力で潰れないための押し返す力(斥力)、それらを足したものが右辺の物質が持つエネルギーとなっている。この式で彼は、「相対性」という概念を広げる。重力や加速度が関係する運動にまで適用できる一般式を考えたのだが、この式にいわれる重力理論の基本部分、光の経路が曲がるという予言の正しさを証明したのが、イギリスの天文学者エディントンである。1919年の彼は、皆既月食の際の太陽周辺の星の光に注目する。なにしろ太陽は相当に大きいので、その重力によって周囲の時空が歪み、そのため太陽の裏に隠れているはずの星の光がカーブして地球までやってくる筈だと考えたのである。そして、その観測は成功したのであった。
 1919年、アメリカの天文学者エドウィン・ハッブル(1889~1953)は、ウィルソン山天文台にいて、宇宙が膨張していることを発見した。「光のドップラー効果」と呼ばれる物理法則によると、移動する物体の発する電磁波の波長では、その物体の後ろ側では長くなる。これを天体観測に使えば、遠ざかる銀河からの可視光の光は波長が最も長い赤に近い方に引き延ばされる。これが「赤方偏移」である。ここで光の色は波長の短い方から長い方向へ、つまり紫、青、緑、黄、オレンジ、赤の順に変化していく。つまり、近づいてくるものの波長は縮み青っぽく見える、遠ざかるものの波長は伸びて赤くなる。だから、青い光は緑に、緑の光が黄色に変化して見える場合は、その光が観察者から遠ざかっていると考えられる訳なのだ。ここまでは、1914年のアメリカの天文学者スライファーによる「光波のドップラー効果による赤方偏位」の観測により、私たちの銀河系の外にある銀河から届く光の観察で、秒速1000キロメートルで後退している銀河が発見されていた。
 その際のハッブルは、このスライファーの発表に着目し、さらに遠くの銀河の光を当時の最新鋭のハッブル望遠鏡で観察を始める。銀河からの光を分光(その光をさまざまな成分に分解すること)していく。そのハッブルは、1929年、各々の変光星が属する銀河までの距離を推算する作業を進め、それらのうち24の銀河について、光のドップラー偏移を調べたところ、それらのどれもが赤方偏移を起こしていることを発見した。これはつまり、ハッブルが観測した銀河間の距離、つまり宇宙が膨脹していることを意味している。その際、かかる赤方偏位は、銀河の後退速度によって生じたものではなく、光が天体を発した時の宇宙の大きさと、その光が地球に到達したときの宇宙の大きさとの違いのために生じたものだと考えられている。もっとも、個々の銀河の大きさはこれによっても変わらない、銀河の中の恒星と恒星の間の距離が広がっているということでもない。広がっているのは、重力が及ぶ範囲の天体間の距離ではなく、あくまで、それらを包摂した、より遠くにある「銀河」と別の「銀河」との距離なのである。
 そればかりではない。ハッブルは、18個の銀河までの距離と、それらの銀河が地球から遠ざかる速度(「後退速度」と呼ぶ)の定量的な関係式、「1メガパーセク(326万光年)離れた銀河は秒速530キロメートルで遠ざかっている」(この値は、今は秒速71キロメートルと言われている)のを探し当てた。 この作業のときハッブルが着目したのがセファイド変光星であって、この変光星は、その絶対光度と変更周期との間に特定の関係、すなわち周期が長いほど絶対光度が大きくなることが、1910年代までにはわかっていた。そこで、その変光星の変光周期を観測して絶対光度を求め、割り出したその値を見かけの明るさ(これは地球からの距離に比例するのであるが)と比較することにより、目的とする変光星までの距離を割り出すことができるのだ。
 ハッブルのこの発見は、人びとに大きな衝撃を与えた。この宇宙膨張の動きは、それまでの「宇宙が膨張しているはずはない」と考えられていたからである。つまり私たちのいる銀河から見て、遠方にある銀河ほど早いスピードで地球から遠ざかっていることなのである。そのイメージとしては、例えばボールをゴムひもで結んで引っ張ったとき、ゴムひも(宇宙)が広がるほど、一つひとつのボール(銀河)間の距離も広がる、つまりお互いが遠ざかっているのである。
 1931年(昭和6年)、アルバート・アインシュタインはウィルソン天文台にハッブルを訪問し、銀河が光のドップラー偏移を捉えたスペクトル写真を見せてもらった。すると、そこには彼の思惑とは異なって、宇宙がじっとしておらず、膨脹しているという事実が「赤色偏移」となって確認されたのである。それまで、膨脹なんてことはありえないとして、定常的な「止まった宇宙」を前提に話しをしていたアインシュタインがびっくり仰天したことは疑うべくもない。もっとも、アインシュタインがハッブルの発見まで考えていたのは、膨脹も収縮もしないという意味での定常的な宇宙に限られる。アインシュタインの、当初の理論では、星や銀河などの重力に引っ張られて、宇宙は最終的には収縮する。最終的には一点に戻って潰れてしまう。これを「ビッグクランチ」という。これでは宇宙を定常に保てないと思って、彼は宇宙をビッグクランチから救い、定常を保つための「宇宙項」を自分の方程式に追加していた(前掲)。
 ところが、ハッブルの宇宙膨張に接し、それが揺らぎのない真実だということになる。そこでアインシュタインは、この「宇宙項」を破棄したのである。彼はこれを「人生最大の不覚」とみなしたのだが、皮肉にもアインシュタインの死後21世紀になってからの、ダーク(暗黒)エネルギーの登場(2003年)によって、宇宙の加速膨張を説明するために、この項は再び必要となっていく。
 そこで、テレビ画面上のクラウス教授は、宇宙がこれから先もずっと膨張を続けるのか、それともある時点で収縮に転じるのかを問いかける。それは、宇宙に存在するこの二つのエネルギーの和がプラスなのか、マイナスなのかがわかれば、宇宙が永遠に膨脹するのか、収縮に転じるのかがわかるというのが、この議論のそもそもの出発点になっている。
 1933年、スイスの天文学者フリッツ・ツヴィッキーが論文を発表し、銀河の観測から後の「暗黒物質」の存在を予言した。彼は、かみのけ座にある「銀河団」(銀河が約100個から1000個程度重力を介して群れ集まっている集団をいう)を観測する。物質の発する光の量はその質量によって変わることを利用して、その総質量を、まず光の量から算出した。それぞれの銀河は重力によって動いている。ニュートンが発見した「重力の逆二乗法則」を使い速度を調べることで重力の大きさがわかり、重力がわかれば質量も求まる。そこで次にはこの法則を使って、銀河団に属する、つまりその銀河団の中に残っている銀河の動き(速度)から逆に、その銀河団が閉じ込めることのできる重力の大きさ、ひいてはその銀河団の総質量を算出した。
 ところが、これら二つの方法で算出した質量の間に、400倍もの開きがあった。後者の運動速度から求めた値の方が、前者の光の量から測った値の方、つまりその銀河団の明るさ(それは個々のメンバー銀河の明るさの単純な和とされる)から予想される質量値を大きく上回っていたのだ。すると、このかみのけ座銀河団にはそれだけの差分だけ、つまり光っている物質以外に、目には見えない(光を発していない)、けれども質量のある物質が大量に存在して銀河を動かしていることになるのではないかと考えた。
 1947年、宇宙の出発点が「ビッグバン」にあったとする「ビッグバン宇宙論」を、アメリカの理論物理学者のジョージ・ガモフが提唱した。これによると、宇宙がハッブルの法則に従って今もなや膨脹しているのであれば、過去に遡って考えると、宇宙の最初は超高密度の状態の一点に集約されるだろう。それを時間でいえば、宇宙は約137億年前に誕生したと見積もられることになる。つまり、宇宙の最初は超高温、超高密度のいわば「火の玉」が大爆発を起こして誕生した。その時の温度は、「10の27乗(10億の3乗)度」もの高温であったと言われる。これは、それまで主流であったアメリカの天文学者フレッド・ホイルの「定常宇宙論」、つまり、「ハッブルが発見した宇宙の膨張は認めつつも、次々に銀河が生まれることで、結局、宇宙の物質の密度は保たれ、永遠に不変だとする考え方」を打ち砕こうとするものであった。ホイルにとっての宇宙には、始まりもなければ終わりもない。この考えに凝り固まっていた彼にして、ガモフの理論を「あいつらは、宇宙がビッグバン(大爆発)で始まったといっている」と挑戦的な調子で述べたのは、科学の世界でもよくあることなのだろうか。

(続く)

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E=mC^2 ⇒C=√(E/m)=L/t (大山宏)
2017-06-28 11:51:33
有名な「E=mC^2」の式を変形すると、C=√(E/m)ですね。
Cは光速度ですから、移動した距離⊿Lをその移動に要した時間⊿tで割り算したものです。
C =√(E/m)=⊿L/⊿t が常に一定である必要十分条件は、単純明快です。即ち、
時間軸の矢が距離に正比例で伸び縮みしてさえいれは、微小な異次元世界でも超巨大な異次元世界でも光速度一定の原理は成立するのです。
 ここまでアインシュタインが理解していれば、定常宇宙論はその時点で完勝していたと思われます。
宇宙項なんて、最初から入れる必要性が全くなかったのです! ビッグバン宇宙論も出だしの初っ端から空論だった事とあなたなら分かりますよね。
あなたと私とは趣味が合っているようです。時々ブログ「光世界の冒険」にも遊びに来てみて下さい。 
ご教授ありがとうございます。 (丸尾)
2017-07-16 21:47:29
こんばんは。
本日、お便りを拝見しました。遅れてすみません。
天文学には疎い我身ですが、人間と自然の歴史を語
る段には、さけては通れないかと考え、びくびくしながら、アップデートしています。
きっかけは、2014年アリゾナ大学での、クラウス教授による宇宙論の社会人向け講義を、NHKの翻訳による語りで視聴し、これは面白いなと思いました。
参加者の多くは、私と同じくらいの年齢の人々であるらしいことから、親しみを感じつつ、全4回の講義を観るう
ち、学んだことを書き記してみたいと考えるようになりました。
小生ですが、少し系統立って勉強してきたのは経済の
分野だけで、細々ですが、原稿を書かせていただいている次第です。
ですが、興味だけは、なかなかに広く持っているつもり
でおります。邪道かとは危ぶんでいますが、歴史のうねりをもたらしてきたものとして、自然科学の流れから学ぶ
試みも実践したいです。
大山さまのブログを一目拝見して、専門的なところは小生には難し過ぎると思います。しかし、できれば一歩ずつ学んでいきたいです。何卒、よろしくお願いします。
小生のブログの今後ですが、できたら若い人にも読んでもらえるように、これからも少しずつ改善していくつもりです。
これからも、時々訪れていただき、お気づきのことなどあ
りましたら、ご教授をお願いします。
とりあえずの返信まで、2017年7月16日管理者記

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