最近の宇宙論：ビッグバン / Big Bang

Big Bang

From Wikipedia, the free encyclopedia

わたしのnoteにおいては、最新の科学・経済・社会等の問題に関して、英語の記事を引用し、その英文が読み易いように加工し、英語の勉強ツールと最新情報収集ツールとしてご利用頂くことをmain missionとさせて頂きます。勿論、私論を書かせて頂くこともしばしです。

先日、「エントロピー増大則と生物の進化、経済の進化・高度化」というタイトルの記事を書かせて頂きましたが、エントロピーという物理量の正確な定義は、「エントロピー（英: entropy）は、熱力学および統計力学において定義される示量性の状態量である。熱力学において、断熱条件下での不可逆性を表す指標として導入され、統計力学において系の微視的な「乱雑さ」を表す物理量という意味付けがなされた。/『ウィキペディ（Wikipedia）』」というものです。地球上の生物の進化のプロセスにおいて、DNAのランダムな変化・無秩序化とそれらに対するセレクション (自然淘汰) が必要だったことは明らかだと思いますが、ここにエントロピーという物理量を導入するには、「断熱条件下」「系」という条件が必要であり、先の議論においては物理的正確性を欠いていました。同様に、経済システム、社会システム、自由主義、市場経済にエントロピー的概念 (無秩序化とそれに対するセレクション)をアナロジーとして、考察を試みましたが、あくまでもアナロジーであり、物理量としてのエントロピーとは異なることを申し添えておきます。

さて、今回は、「宇宙という系」から宇宙全体のエントロピーを考察してみたいと思います。この点に関しては、宇宙は現在は、猛烈なスピードで膨張しているため、熱力学的平衡状態に至るプロセスがその速度に追いつけず、宇宙全体では、エントロピーの減少が起こっているのだと思います。よって、銀河系や、恒星、惑星といった構造物 (秩序) が誕生し、地球という惑星上では、更に生物の進化という現象 (結果的には生物の進化は秩序化が進んでいる) が起こったのだと自分では理解しています。しかし、宇宙の終末があるのかどうかは分かりませんが、下記にもあるように、The entropy of the universe would increase to the point [where no organized form of energy could be extracted from it (the universe)], a scenario known as heat death. のような終末があるのかもしれません。どっちにしても、皆さんが生きている間は、宇宙の問題より、気候変動問題こそ、喫緊の課題ですよね。取り敢えず、今回は、宇宙全体のエントロピーのお話は、あまり紹介されていませんが、皆さんに、現代の宇宙論の一端を紹介させて頂きたいと思います。

上に、宇宙の進化の過程を示した図を紹介させて頂きましたが、Big Bangから、わずか3分後までのeventsの流れが示されています。人類の宇宙に関する理解は、物理学、電磁気学、一般相対性理論、量子力学、熱力学、統計力学、様々な測定技術、等々の進歩により、昔では考えられないほど、進んでいます。

The Big Bang theory is the prevailing cosmological model explaining the existence of the observable universe from the earliest known periods through its subsequent large-scale evolution. The model describes how the universe expanded from an initial state of high density and temperature, and offers a comprehensive explanation for a broad range of observed phenomena, including the abundance of light elements, the cosmic microwave background (CMB) radiation, and large-scale structure.

Crucially, the theory is compatible with Hubble–Lemaître law—(ハッブル＝ルメートルの法則（旧称「ハッブルの法則」）とは、現代宇宙論において、遠方天体から到来する電磁波の波長が、ドップラー効果によって長くなる（可視光で言うと赤くなる/赤方偏移）現象がみられ、このドップラー効果から計算される、様々な銀河の地球からの後退速度は、地球からの距離にほぼ比例する。この発見は、宇宙は膨張しているものであるとする説を強力に支持するものとなった。)—the observation that the farther away a galaxy is, the faster it is moving away from Earth. Extrapolating this cosmic expansion backwards in time using the known laws of physics, the theory describes an increasingly concentrated cosmos preceded by a singularity (特異点/A singularity means a point where some property is infinite [無限大/ínfənət].) in which space and time lose meaning (typically named "the Big Bang singularity"). Detailed measurements of the expansion rate of the universe place the Big Bang singularity at around 13.8 billion years ago, which is thus considered the age of the universe.

BIG BANGは138億年前に起こった。
地球の誕生は、45億4000万年前（±5000万年）

最近は、singularityといえば、下記の技術的singularityを意味することが多いですが、もともとは、A singularity means a point where some property is infinite.の意味で使われていました。ついでに、singularity (技術的特異点) について解説しておきます。シンギュラリティ（Singularity、技術的特異点）とは、人工知能が、さらに優れた人工知能を再帰的に創造していくことで、人間を完全に超える圧倒的に高度な知性が生み出されるとする仮説のこと。その到来は2045年と予測されていることから、2045年問題とも呼ばれています。シンギュラリティとは「特異点」という意味で、これから解説するシンギュラリティは、正確には技術的特異点（Technological Singularity）のことです。シンギュラリティとは、未来学者のレイ・カーツワイル氏が提唱したもので、「人工知能（AI）の知性（性能）が地球上の全人類の知性を超える時点」を指す言葉です。この時点を超えると、AIはAI自身でより賢いAIを作っていくといわれています。この段階のAIは、人間と知性において区別できないレベルにまで発達したAIです。道具として使われるだけだった従来の「弱いAI」に対して、「強いAI」と呼ばれます。カーツワイル氏はこの強いAIの登場を、新しい生物の出現に匹敵するほど重要、としています。

After its initial expansion, an event that is by itself often called "the Big Bang", the universe cooled sufficiently to allow the formation of subatomic particles, and later atoms. Giant clouds of these primordial (根源的な、根本となる/praimɔ́rdiəl) elements—mostly hydrogen (原子番号:1), with some helium (原子番号:2) and lithium (原子番号:3)—later coalesced (合体する、融合する/kòuəlés) through gravity, forming early stars and galaxies, the descendants of which are visible today. Besides (～の他に) these primordial building materials, astronomers observe the gravitational effects of an unknown dark matter surrounding galaxies. Most of the gravitational potential in the universe seems to be in this form, and the Big Bang theory and various observations indicate that this excess gravitational potential is not created by baryonic matter (‘baryonic’ to refer to all objects made of normal atomic matter) , such as normal atoms. Measurements of the redshifts of supernovae (超新星 [ちょうしんせい、英語: supernova、スーパーノヴァ]は、大質量の恒星や近接連星系の白色矮星が起こす大規模な爆発（超新星爆発）によって輝く天体のこと) indicate that the expansion of the universe is accelerating, an observation attributed to dark energy's existence.

Georges Lemaître first noted in 1927 that an expanding universe could be traced back in time to an originating single point, which he called the "primeval (原始の/praimívəl) atom". Edwin Hubble confirmed through analysis of galactic redshifts in 1929 that galaxies are indeed drifting apart; this is important observational evidence for an expanding universe. For several decades, the scientific community was divided between supporters of the Big Bang and the rival steady-state model which both offered explanations for the observed expansion, but the steady-state model stipulated (条件として要求する/stípjəlèit) an eternal universe in contrast to the Big Bang's finite (有限な/fáinait) age. In 1964, the CMB (宇宙マイクロ波背景放射[うちゅうマイクロははいけいほうしゃ、cosmic microwave background ; CMB]とは天球上の全方向からほぼ等方的に観測されるマイクロ波である。そのスペクトルは2.725Kの黒体放射に極めてよく一致している。単に宇宙背景放射 [cosmic background radiation; CBR]、マイクロ波背景放射 [microwave background radiation; MBR] 等とも言う。黒体放射温度から3K背景放射、3K放射とも言う。宇宙マイクロ波背景輻射、宇宙背景輻射などとも言う[輻射は放射の同義語]) was discovered, which convinced many cosmologists that the steady-state theory was falsified, since, unlike the steady-state theory, the hot Big Bang predicted a uniform background radiation throughout the universe caused by the high temperatures and densities in the distant past. A wide range of empirical evidence strongly favors the Big Bang, which is now essentially universally accepted.

＜CMBとビッグバン＞
CMBの放射は、ビッグバン理論について現在得られる最も良い証拠であると考えられており、1960年代中頃にCMBが発見されると、定常宇宙論などの、ビッグバン理論に対立する説への興味は失われていった。標準的な宇宙論によると、CMBは宇宙の温度が下がって電子と陽子が結合して水素原子を生成し、宇宙が放射に対して透明になった時代のスナップショットであると考えられる。これはビッグバンの約40万年後で、この時期を「宇宙の晴れ上がり」あるいは「再結合期」などと呼ぶ。この頃の宇宙の温度は約3,000Kであった。この時以来、輻射の温度は宇宙膨張によって約1/1,100にまで下がったことになる。宇宙が膨張するに従って CMBの光子は赤方偏移を受け、宇宙のスケール長に比例して波長が延び、結果的に輻射は冷える。この背景放射がビッグバンの証拠と考えられる。

＜Cosmic microwave background＞
The cosmic microwave background ( CMB, CMBR ), in Big Bang cosmology, is electromagnetic radiation which is a remnant from an early stage of the universe, also known as "relic (遺物) radiation". The CMB is faint cosmic background radiation filling all space.

Cosmic Microwave Background: Remnant of the Big Bang

anisotropy ：《物理》異方性 / æ̀naisɑ́trəpi、

宇宙の温度は、約２．７K（摂氏マイナス２７０度）だと言われています。 そもそも、宇宙の温度とは、いったい、何を意味するのでしょうか？ 宇宙空間は、ほとんど真空状態なので、温度など定義できないのではないかとも、一見、思えます。 というのも、例えば、大気の温度、すなわち気温というのは、空気分子がどれくらい激しく動いているか、すなわち空気分子のエネルギーの大小にほかなりません。 鉄のような物質の温度も、その物質をつくっている分子や原子のエネルギーなので、ほとんど真空に近い宇宙空間では、温度など定義できないのではないかという感じがしないでもありません。 しかし、実際には、宇宙空間はほとんど真空に近いため、分子や原子はほとんどありませんが、光はあります。 もっと精確にいうならば、宇宙は波長の長い電磁波で満たされているので、これが宇宙の温度ともされており、約２．７K（摂氏マイナス２７０度）くらいだといいます。 この電磁波がとらえられたのは、１９６５年のことで、アメリカのベル電話研究所の電波科学者ペンジャスとウィルソンによるものだそうです。 １９６５年、アメリカのベル電話研究所の電波科学者ペンジャスとウィルソンは、宇宙のあらゆる方向からやってくるマイクロ波の電波雑音をとらえましたが、これが、「宇宙マイクロ波背景放射」(CMB)と呼ばれるものであり、波長１ミリメートルあたりが最も強く、そのスペクトルは絶対温度３度（３K）、つまり、摂氏マイナス２７０度の黒体放射（プランク分布）だったといいます。 その後、この放射は非常に高い精度で一様、かつ等方的で、とびぬけて大きいエネルギーを持つことがわかりました。 そして、これは、ビッグバン理論を支持する有力な証拠とみなされることになったようです。 つまり、初期においては、超高密度で超高温だった宇宙が、その膨張につれて温度が下がり、３K（マイナス２７０度）まで冷えたと解釈できることから、ビッグバン理論の有力な証拠とみなされるようになったようです。 そして、ビッグバンから約３８万年後には、宇宙の温度は３０００Kまで下がり、光が直進できるようになったと考えられています。これは「宇宙の晴れ上がり」と呼ばれていますが、この時の光が「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）としてとらえられたようです。 「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）は、NASA（アメリカ航空宇宙局）が打ち上げた観測衛星COBEやWMAPによって確認され、１０万分の１程度の小さなムラがあることが確認されています。１９８９年に、NASA（アメリカ航空宇宙局）は「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）を電波望遠鏡で正しく測定するために、観測衛星COBEを打ち上げました。 １９９２年４月に公表された観測結果によると、「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）の絶対温度は２．７３５Kであり、小さなムラがあることが明らかになりました。 さらに、NASA（アメリカ航空宇宙局）が２００１年に打ち上げた観測衛星WMAPは、COBEよりもさらに詳細に「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）を観測し、１０万分の１程度のムラまで計ることができたといいます。 「宇宙マイクロ波背景放射」（CMB）のムラは、初期宇宙の物質のばらつきであり、物質が濃い部分はさらに周囲の物質を集め、星や銀河、銀河団を作りました。 こうして、小さなものから大きなものへと、宇宙は進化したのだと考えられるようになりました。 約１３７億年前にビッグバンが起きた直後の宇宙は、非常に高温でしたが、宇宙の急激な膨張で温度が下がり、約３８万年後に３０００Kに下がった時点で、光が直進できるようになり、「宇宙の晴れ上がり」を迎えました。 この時期に放出され、約１３７億年かけて到達した光を、現在私たちは観測していることになります。 そして、３０００Kあった温度は、光の移動の間に２．７３５Kまで下がったと計算されています。 つまり、宇宙の温度は、約３K（摂氏マイナス２７０度）であり、より精確には、２．７３５Kとされています。

The cosmic microwave background (CMB, CMBR), in Big Bang cosmology, is electromagnetic radiation which is a remnant from an early stage of the universe, also known as "relic (過去の遺跡、遺物、遺構) radiation". The CMB is faint cosmic background radiation filling all space. It is an important source of data on the early universe because it is the oldest electro magnetic radiation in the universe, dating to the epoch (時期) of recombination (Big Bamgから約40万年後). With a traditional optical telescope, the space between stars and galaxies (the background) is completely dark. However, a sufficiently sensitive radio telescope shows a faint background noise, or glow (〔高温の物体からの〕白熱光、赤熱光), almost isotropic (等方性の/àisoutrɑ́pik), that is not associated with any star, galaxy, or other object. This glow is strongest in the microwave region of the radio spectrum. The accidental discovery of the CMB in 1965 by American radio astronomers Arno Penzias and Robert Wilson was the culmination of work initiated in the 1940s, and earned the 1978 Nobel Prize in Physics as the discoverers.

 CMB is landmark evidence of the  Big Bang of the universe. When the universe was young, before the formation of stars and planets, it was denser, much hotter, and filled with an opaque (不透明な/oupéik) fog of hydrogen plasma (プラズマは固体、液体、気体のいずれとも異なる特有の性質を持つため、物質の第4の状態ともいわれる。狭義のプラズマとは、気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に分かれて運動している状態であり、電離した気体に相当する電離層、太陽風、星間ガスなどがプラズマ状態であり、宇宙の質量の99%以上はプラズマ状態である). As the universe expanded / the plasma grew cooler / and the radiation filling it (the universe) expanded to longer wavelengths. When the temperature had dropped enough, protons and electrons combined to form neutral hydrogen atoms (the epoch of recombination). Unlike the plasma, these newly conceived atoms could not scatter the thermal radiation by Thomson scattering, and so the universe became transparent.

Cosmologists refer to the time period when neutral atoms first formed as the recombination epoch, and the event shortly afterwards when photons started to travel freely through space is referred to as photon decoupling. The photons that existed at the time of photon decoupling have been propagating ever since, though growing less energetic, since the expansion of space causes their wavelength to increase over time (and wavelength is inversely proportional to energy according to Planck's relation <The Planck relation is a fundamental equation in quantum mechanics which states that the energy of a photon : E (known as photon energy) is proportional to its frequency : ν  E=hν>.

＜Expansion of space＞
The expansion of the Universe was inferred from early twentieth century astronomical observations and is an essential ingredient of the Big Bang theory. Mathematically, general relativity describes spacetime by a metric (《物理》計量、測定基準), which determines the distances that separate nearby points. The points, which can be galaxies, stars, or other objects, are specified using a coordinate (配位の、座標の/kouɔ́ːrdənit) chart or "grid (格子)" that is laid down over all spacetime. The cosmological principle implies that the metric (《物理》計量、測定基準) should be homogeneous and isotropic (等方性の) on large scales, which uniquely singles out (～を選び出す) the Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) metric <is an exact solution of Einstein's field equations of general relativity; it describes a homogeneous, isotropic, expanding (or otherwise, contracting) universe that is path-connected, but not necessarily simply connected. The general form of the metric follows from the geometric properties of homogeneity and isotropy; Einstein's field equations are only needed to derive the scale factor of the universe as a function of time. This model is sometimes called the Standard Model of modern cosmology, although such a description is also associated with the further developed Lambda-CDM model. The FLRW model was developed independently by the named authors in the 1920s and 1930s>. This metric contains a scale factor, which describes how the size of the universe changes with time. This enables a convenient choice of a coordinate system to be made, called comoving coordinates. In this coordinate system, the grid expands along with the universe, and objects that are moving only because of the expansion of the universe remain at fixed points on the grid. While their coordinate distance (comoving distance) remains constant, the physical distance between two such co-moving points expands proportionally with the scale factor of the universe.

The Big Bang is not an explosion of matter moving outward to fill an empty universe. Instead, space itself expands with time everywhere and increases the physical distances between comoving points. In other words, the Big Bang is not an explosion in space, but rather an expansion of space. Because the FLRW metric assumes a uniform distribution of mass and energy, it applies to our universe only on large scales—local concentrations of matter such as our galaxy do not necessarily expand with the same speed as the whole Universe.

＜Cosmic acceleration＞
Independent lines of evidence from Type Ia supernovae and the CMB imply that the universe today is dominated by a mysterious form of energy known as dark energy, which apparently permeates all of space. The observations suggest 73% of the total energy density of today's universe is in this form. When the universe was very young, it was likely infused with dark energy, but with less space and everything closer together, gravity predominated, and it was slowly braking the expansion. But eventually, after numerous billion years of expansion, the declining density of matter relative to the density of dark energy caused the expansion of the universe to slowly begin to accelerate.

Dark energy in its simplest formulation takes the form of the cosmological constant term in Einstein field equations of general relativity, but its composition and mechanism are unknown and, more generally, the details of its equation of state and relationship with the Standard Model of particle physics continue to be investigated both through observation and theoretically.

All of this cosmic evolution after the inflationary epoch can be rigorously described and modeled by the ΛCDM model of cosmology (Λ-CDMモデルとは、「冷たい暗黒物質 （Cold Dark Matter, CDM）モデル」に宇宙項 Λを加えた宇宙モデルのこと。英語圏では“Lambda-Cold Dark Matter Model”とも表記し、「ラムダ・コールド・ダークマター・モデル」と読む。Λ-CDMあるいはLCDMと略記される場合が多い。銀河の回転運動（中心部の回転速度と周辺部の回転速度が同じであるというアノマリー/変則、異常、特異、異様）や銀河群、銀河団の運動の観測から、宇宙には光を発しない暗黒物質が存在することを仮定する。そして、元素合成理論から、暗黒物質の主成分が暗い天体（ブラックホール、褐色矮星等）ではないこと、さらに普通の物質とは重力以外では弱く相互作用しない非バリオン的な物質であることが知られている。その中でも、ニュートリノのような軽い（熱い）粒子ではなく、重い（冷たい）粒子（アクシオン、ニュートラリーノなど）から暗黒物質が構成されていると仮定すると、現在見られる宇宙の大規模構造をインフレーション理論で生まれた揺らぎが成長したものとして説明することができる。), which uses the independent frameworks of quantum mechanics and general relativity. There are no easily testable models that would describe the situation prior to approximately 10−15 seconds (今やBig Bangの10-15秒後までのeventsが宇宙研究の最前線のテーマ). Understanding this earliest of eras in the history of the universe is currently one of the greatest unsolved problems in physics.

＜Ultimate fate of the universe＞
Before observations of dark energy, cosmologists considered two scenarios for the future of the universe. If the mass density of the universe were greater than the critical density, then the universe would reach a maximum size and then begin to collapse. It would become denser and hotter again, ending with a state similar to that in which it started—a Big Crunch.

Alternatively, if the density in the universe were equal to or below the critical density, the expansion would slow down but never stop. Star formation would cease with the consumption of interstellar gas in each galaxy; stars would burn out, leaving white dwarfs, neutron stars, and black holes. Collisions between these would result in mass accumulating into larger and larger black holes. The average temperature of the universe would very gradually asymptotically (漸近的に/æ̀səmptɔ́tikəli) approach absolute zero—a Big Freeze. Moreover, if protons are unstable, then baryonic matter would disappear, leaving only radiation and black holes. Eventually, black holes would evaporate by emitting Hawking radiation (スティーヴン・ホーキングが存在を提唱・指摘した、ブラックホールからの熱的な放射のことである). The entropy of the universe would increase to the point [where no organized form of energy could be extracted from it (the universe)], a scenario known as heat death.

Modern observations of accelerating expansion imply that more and more of the currently visible universe will pass beyond our event horizon (情報は光や電磁波などにより伝達され、その最大速度は光速であるが、光などでも到達できなくなる領域（距離）が存在し、ここより先の情報を我々は知ることができない。この境界を指し「事象の地平面/event horizon」と呼ぶ) and out of contact with us. The eventual result is not known. The ΛCDM model of the universe contains dark energy in the form of a cosmological constant. This theory suggests that only gravitationally bound systems, such as galaxies, will remain together, and they too will be subject to heat death as the universe expands and cools. Other explanations of dark energy, called phantom energy (Phantom energy is a hypothetical form of dark energy) theories, suggest that ultimately galaxy clusters, stars, planets, atoms, nuclei, and matter itself will be torn apart by the ever-increasing expansion in a so-called Big Rip.