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高校生1年生です。 「宇宙に始まりがあるのなら、どうやって無から有が生じたのか...

aug********さん

2018/10/1317:54:31

高校生1年生です。
「宇宙に始まりがあるのなら、どうやって無から有が生じたのか?

」という、ある意味哲学的な問題にも、ひとつの解答を与える事となった。宇宙の全ての重力の位置エネルギーを合計するとマイナスになるため、宇宙に存在する物質の質量とあわせれば、宇宙の全エネルギーはゼロになるというのが、解答である。wikipedia から引用。

これについて教えてください。

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rie********さん

2018/10/1416:28:34

それは重力に限らないすべての力の場(電磁場、核力場、真空の場)に当てはまる。

宇宙の始まりには単一のゲージ場という力の場(エネルギーの場でも良い)があったとされるが、その場はポテンシャルエネルギー(空間の位置のエネルギー)を伴い、それは負の値だからその力の場が持つ正のエネルギー(つまり宇宙誕生のエネルギー)と相殺し、宇宙の最初からエネルギー保存則は成立している、と考えられている。

それが最初にトータルエネルギーゼロだったはずの「無」の状態に、宇宙全体の持つエネルギーや、物質その他のエネルギーの偏りという「有」が生まれても不思議ではない理由だ。それらはすべて空間的広がりのポテンシャルエネルギーと相殺するのだ。

大変うまく出来ているのだが、ようするに宇宙は出鱈目に出来たもんではなく、ちゃんと秩序に従って誕生したという事を示しているわけだ。

最終的疑問は「なぜそういう秩序があるのか?」だが、それこそが果たして解明できるのかどうかすらわからぬ見果てぬ夢というものだ。
というより疑問の先に疑問が生まれる無限の連鎖に終りがあるのかどうかすら、想像の外だ。

この世には考えることの種は尽きることが無いのである。


宇宙は無から有の状態が誕生したビッグバンに始まるというのがもっとも有力な理論だが、もちろんそれは何の実証も無い恣意的な類推などではない。
今現在のゲンジツの宇宙の観測可能な広大な領域の観測と素粒子の超微小な空間構造に至るまでの多種多様で網羅的な宇宙自然界の構造の研究に基づくのだ。

その観測研究には観測可能な宇宙の果てからやってくる130億年も前の特異な天体や古い銀河の姿や、138億年前の宇宙誕生時の量子揺らぎによる背景放射の詳細な観測も含まれている。

また素粒子実験では重力を除く電磁場と核力場(弱い力と強い力の場)が高エネルギーで単一の力場に統一されることが明白となってきた(証明はまだだが)。すでに弱い力場と電磁場は電弱力場として統一されることが実証されている。

さらにビッグバン後に様々な力の場と物質を生み出した真空の相転移と宇宙の加速膨張の源泉の真空の力場の最有力候補であるヒッグス場も、その場の量子であるヒッグス粒子が理論的予測どおりに発見された。

すなわち、宇宙の歴史を宇宙自体とその微細構造が見せてくれているのだ。
それを曲がりなりにも矛盾無く説明出来る理論はビッグバン以外には見だされていない。他の宇宙論仮説にはそれらすべてを説明しきれない様々な欠陥がある。


それでは宇宙の始まりの前ってのはどうか、想像の外か、というと、そうでもなさそうだ。
一般相対論では宇宙の始まりは空間的にただ一点の特異点だとされた。時間もそこがスタートであって、そのとき生まれたと考えるより仕方が無かった。

ところがすでに宇宙の加速膨張が発見されたように、アインシュタインが自分で方程式に導入しながら取り下げたいわゆる「宇宙項」が現実のものであることがわかった。

また宇宙が極めて平坦でしかも一様だという観測から、ビッグバン直後に宇宙は激烈な加速膨張をしていなければならないことがわかった。それを宇宙のインフレーション膨張と呼ぶ。その膨張は宇宙の温度を下げ様々な力の場を分岐させ物質を生み出したことが精密に説明できる。

しかしそのような加速膨張宇宙は宇宙項を持つアインシュタイン方程式の解でド・ジッター宇宙と呼ばれ、宇宙項の無い宇宙とは異なる。
宇宙項の無い宇宙は膨張か収縮をするが、膨張の始まりや収縮の果てはただ一点に集まる特異点となって理論が破綻する。
だが宇宙項のある加速膨張宇宙の始まりには特異点がなく、空間的広がりを持つ。

つまり宇宙の始まりは空間的広がりを持っていたわけだ。
なのでそれ以前の宇宙が収縮したものだという仮説も生まれる。膨張と収縮を無限に繰り返し続けるいわゆる振動宇宙論だ。

だがはっきり言えばこの宇宙の始まり以前はわからないし、確たる理論も無い。観測の証拠も何も無い。

振動宇宙ではなくある大きさを持って生まれたビッグバンが始まりだとする考えには、有名なホーキング博士などによる「無境界仮説」がある。
それはビッグバン以前の宇宙は「複素数の時空間」の中で単一の宇宙の波動関数が量子揺らぎをしているという量子重力理論による描像だ。その波動関数には宇宙のすべてが潜在的に含まれる。

その宇宙の波動関数のゆらぎが偶然にも複素数の時空間の実時空間軸と交差したとき、量子揺らぎの空間的大きさをもった実宇宙空間が忽然と出現した。それは量子論によるいわゆるトンネル効果による。複素数だった時間も実時間となる。

その仮説では複素数に拡張された時空間が実の時空間になるだけで、時空間の始まりという特異点の境界が無い。そのため「無境界仮説」と呼ばれる。

もちろんこの仮説には観測証拠も何も無い。また量子重力理論も開発途上で完成したものは無い。
しかし、この宇宙すべてを説明しようとすれば、必然的に理論的整合性を持った始まりの説明が伴わなければならないだろう。
それを抜きにした説明はどんな矛盾も始まりに押し付けて知らん顔をするに等しく、とうていこの宇宙のちゃんとした説明にはならないのだ。

なのでそうした努力は、徒手空拳で想像で仮定をして恣意的に始まりに結びつけるようなこととは根本的に違うのである。


宇宙はその始まりもそれ以前も論理的な整合性という秩序の中にある。そうでなければすべては説明不可能になる。矛盾の無い説明は未だ知られざる自然の現象さえ予測する。
もちろん観測や実験による実証を伴いながら、しかし矛盾が無い説明を追い求めることこそが、自分自身を検証し続けることと等価なのだ。

ゆえに仮説を立てそれを検証する方法論は、雑多な知識の中に帰納的に秩序を発見する方法論と車の両輪なのであって切り離せない関係にある。決してどちらか一方だけが有効なのではない。

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qri********さん

2018/10/1412:18:32

高校生1年生であるなら、
この「どうして?」をずっと胸に懐いて、大学生、大人になってほしい。そのくらいに、深淵で、実りある、難しい問いなのでです。インスタントな解を求めるにはもったいない問い。

tai********さん

2018/10/1411:01:57

電磁波は電場と磁場の振動です。電場と磁場の振動が止まると電磁波はなくなります。

電磁波(=光)と同様に、物質も「空間」の振動ではないでしょうか。ド・ブロイは物質が波であるとし、物質波の波長を「λ=h/mv」と表現しました。これを「ド・ブロイ波長」と言います。量子力学では物質を波動関数で表現します。そして「超ひも理論」では物質を超ひもの振動と考えます。超ひもが振動すると物質や光と見え、振動を止めると真空と見えます。

宇宙が始まる前、空間は全く振動しておらず観測され得る現象は一切ありませんでした。すなわち、エネルギーE=0の状態です。

ある時、0=プラスのエネルギー+マイナスのエネルギーとなりました。そして、プラスのエネルギーは我々が住む実数の空間を振動させ、マイナスのエネルギーはパラレルワールドである虚数の空間を振動させました。
そのエネルギーにより「空間」が振動を始め最小単位のものが生じ、その相互作用により物質や光が出来て我々の宇宙とパラレルワールドが形成されました。

エネルギーE=質量m×加速度a×距離l=質量m×距離l÷時間t×距離l=ml^2/t[J]
です。
虚数空間の距離=li=l√(-1)なので
虚数空間のエネルギーE’=-ml^2/t
実数空間のエネルギーE= ml^2/t
です。
したがって
虚数空間のエネルギーE’+実数空間のエネルギーE=-ml^2/t+ ml^2/t=0(宇宙が始まる前のエネルギー0の状態)
です。

この様に、ビッグバンにより「空間」が振動を始め、点から現在の大きさに相似膨張したのです。

jca********さん

2018/10/1320:26:44

wikipediaのどのページですか?

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ran********さん

2018/10/1318:19:53

宇宙のことを考えるとき、どうやって始まったかを考えるより、今どうなっているかを考えるのが科学です。科学は、目の前にある現象を、モノで説明します。どうやって始まったかを考えるのは、その後でやることです。

もし、この順序をひっくり返し、宇宙の始まりを考え、ある仮定をしたとします。その仮定を現在の宇宙につなげるため、恣意的な類推が行われます。これは科学的な手順ではありません。現在のビッグバン宇宙論がこの論理を逆転した方法論で行われています。したがって、科学ではないといえます。

この指摘は、著名な学者が何人も同じことを言っています。まず、現在の宇宙を観察し、その仕組みを考えましょう。宇宙の始まりを決めてしまうと、自由な論理が出来なくなります。

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