宇宙
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宇宙
ハッブル超深宇宙画像は、現在の技術で観測可能な最も遠方の銀河のいくつかを示している（対角線は月の見かけの直径の約1/10 ）[ 1 ]
年齢（ ΛCDMモデル内）137億8700万年±0.020億年[ 2 ]
直径不明[ 3 ]観測可能な宇宙:8.8 × 10 26  m (28.5 G pcまたは 93 G ly ) [ 4 ]
平均密度（エネルギーを含む）9.9 × 10 −27  kg/m 3 [ 5 ]
平均温度（宇宙マイクロ波背景放射）2.725 48  K (−270.4  °C、−454.8  °F ) [ 6 ]
主な内容通常物質（バリオン） （4.9％）暗黒物質（26.8％）暗黒エネルギー（68.3％）[ 7 ]
形0.4%の誤差で横ばい[ 8 ]

宇宙とは、空間と時間[ a ]、そしてそれらの内容のすべてである[ 9 ] 。それは、存在のすべて、あらゆる基本的な相互作用、物理的過程、物理的定数、そしてそれゆえあらゆる形態の物質とエネルギー、そしてそれらが形成する構造、亜原子粒子から銀河フィラメント全体まで、すべてから成り立っている。20世紀初頭以来、宇宙論の分野では、空間と時間はビッグバンにおいて同時に出現したことが確立されている。宇宙は137億8700万年前[ 10 ]に誕生し、それ以来膨張を続けていると考えられています。現在、人間が観測できる宇宙の直径は約930億光年ですが、宇宙全体の大きさは分かっていません。[ 3 ]

宇宙に関する最も初期の宇宙モデルのいくつかは、地球を中心とした地動説だった。ヨーロッパ科学革命の間、天文観測は太陽中心モデルをもたらした。さらに観測が改善され、太陽は天の川銀河にある数千億の恒星の1つであり、天の川銀河は観測可能な宇宙にある数千億の銀河の1つであるという認識に至った。銀河の恒星の多くには惑星がある。最も大きなスケールでは、銀河は均一に、すべての方向に同じに分布しており、宇宙には端も中心もないことを意味する。より小さなスケールでは、銀河は銀河団や超銀河団に分布しており、空間に巨大なフィラメントとボイドを形成し、広大な泡のような構造を作り出している。 [ 11 ] 20世紀初頭の発見は、宇宙の膨張につれて熱い火の玉が冷えて密度が低くなり、最初の亜原子粒子と単純な原子が形成されるというビッグバン理論につながった。水素とヘリウムの巨大な雲は、物質が最も密集している場所へと徐々に引き寄せられ、最初の銀河、星、そして今日見られるすべてのものを形成しました。

重力が物質と光の両方に与える影響を研究した結果、宇宙には目に見える物体、すなわち星、銀河、星雲、星間ガスよりもはるかに多くの物質が存在することが発見されました。この目に見えない物質は暗黒物質として知られています。[ 12 ]広く受け入れられているΛCDM宇宙論モデルでは、暗黒物質は約宇宙の質量とエネルギーの25.8% ± 1.1%を占め、69.2% ± 1.2%はダークエネルギーであり、宇宙の膨張を加速させる原因となっている謎のエネルギーである。 [ 13 ]したがって、通常の（「バリオン」）物質は宇宙の4.84% ± 0.1%です。 [ 13 ]恒星、惑星、目に見えるガス雲は、この通常の物質の約6%を占めるに過ぎません。[ 14 ]

宇宙の最終的な運命や、ビッグバン以前に何があったのか（もしあったとすれば）については、多くの仮説が対立している。一方で、物理学者や哲学者の中には、ビッグバン以前の状態に関する情報がいつまでたっても得られないのではないかと疑い、推測を拒否する者もいる。一部の物理学者は、宇宙が多くの宇宙の一つに過ぎないという、様々な多元宇宙仮説を提唱している。 [ 3 ] [ 15 ] [ 16 ]

意味

ハッブル宇宙望遠鏡–超深宇宙銀河からレガシーフィールドへのズームアウト（動画 00:50; 2019年5月2日）

物理的宇宙は、空間と時間[ a ] （まとめて時空と呼ばれる）とその内容のすべてとして定義されます。 [ 9 ]このような内容には、電磁放射や物質を含むさまざまな形態のエネルギーのすべて、つまり惑星、衛星、恒星、銀河、銀河間空間の内容が含まれます。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]宇宙には、保存則、古典力学、相対性理論など、エネルギーと物質に影響を与える物理法則も含まれます。[ 20 ]

宇宙はしばしば「存在の総体」、つまり存在するものすべて、存在したすべてのもの、そして将来存在するすべてのものとして定義されます。 [ 20 ]実際、一部の哲学者や科学者は、数学や論理などのアイデアや抽象的な概念を宇宙の定義に含めることを支持しています。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]宇宙という言葉は、大宇宙、世界、自然などの概念を指すこともあります。[ 25 ] [ 26 ]

語源

宇宙という言葉は古フランス語のuniversに由来し、universはラテン語のuniversusに由来し、「一つにまとめられた」という意味である。[ 27 ]ラテン語の「universum」は、キケロやその後のラテン語の著述家によって、現代英語のuniversumとほぼ同じ意味で使われた。[ 28 ]

同義語

ピタゴラス以降の古代ギリシャの哲学者の間では、宇宙を表す用語としてτὸ πᾶν ( tò pân )「すべて」があり、これはすべての物質とすべての空間と定義され、またτὸ ὅλον ( tò hólon )「すべてのもの」であり、必ずしも虚空を含んでいませんでした。[ 29 ] [ 30 ]別の同義語はὁ κόσμος ( ho kósmos ) で、「世界、宇宙」を意味します。[ 31 ]同義語はラテン語の著者にも見られ ( totum、mundus、natura ) [ 32 ]、現代の言語にも残っており、例えば、ドイツ語のDas All、Weltall、Natur が宇宙を表します。英語にも同じ同義語があり、everything（万物の理論）、the cosmos（宇宙論）、the world（多世界解釈）、nature（自然法則や自然哲学）などがあります。[ 33 ]

年表とビッグバン

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宇宙の進化に関する一般的なモデルはビッグバン理論である。[ 34 ] [ 35 ]ビッグバンモデルによれば、宇宙の初期の状態は非常に高温高密度であり、その後宇宙は膨張して冷えたという。このモデルは一般相対性理論と、空間の均質性や等方性といった単純化された仮定に基づいている。宇宙定数（ラムダ）と冷たい暗黒物質を導入したモデルのバージョンは、ラムダ-CDMモデルとして知られ、宇宙に関する様々な観測結果をかなりうまく説明する最も単純なモデルである。

この模式図では、時間は左から右へと流れ、宇宙は任意の時点における円盤状の「スライス」で表されます。時間と大きさは縮尺どおりではありません。初期段階を可視化するために、残光段階（実際には最初の0.003%）までの時間は引き伸ばされ、その後の膨張（実際には現在までの1,100倍）は大幅に抑制されています。

最初の高温高密度状態はプランク時代と呼ばれ、時間ゼロからプランク時間単位の1単位、約10 −43秒までの短い期間である。プランク時代には、あらゆる種類の物質とあらゆる種類のエネルギーが高密度状態に集中し、現在知られている4つの力の中で圧倒的に弱い重力が、他の基本的な力と同じくらい強くなり、すべての力が統一されていたと考えられている。この非常に初期の期間 (プランク時代の量子重力を含む) を制御する物理学は理解されていないため、時間ゼロより前に何が起こったのか、もし起こったとしても、それを言うことはできない。プランク時代以降、宇宙は現在の規模まで膨張しており、最初の10 −32秒以内に非常に短いが強力な宇宙インフレーションが起こったと推測されている。[ 36 ]この初期のインフレーション期間は、空間が非常に平坦に見える理由を説明できるだろう。

宇宙誕生からわずか一瞬のうちに、4つの基本的な力は分離しました。宇宙が想像を絶するほど高温の状態から冷え続けるにつれ、様々な種類の素粒子が安定的に結合し、安定した陽子や中性子を含むより大きな組み合わせを形成し、核融合によってより複雑な原子核を形成しました。[ 37 ] [ 38 ]

ビッグバン元素合成として知られるこのプロセスは、ビッグバンから約17分間続き、約20分後に終了したため、最も速く単純な反応のみが起こりました。宇宙に存在する陽子と中性子の質量比で約25%がヘリウムに変換され、少量の重水素（水素の一種）と微量のリチウムも生成されました。他の元素はごく微量しか生成されませんでした。残りの75%の陽子は影響を受けず、水素原子核として残りました。[ 37 ] [ 38 ] : 27–42

元素合成の終焉後、宇宙は光子時代と呼ばれる時代に入りました。この時代、宇宙は物質が中性原子を形成するには依然として高温すぎたため、負に帯電した電子、中性ニュートリノ、そして正に帯電した原子核からなる高温で高密度の霧のようなプラズマ状態でした。約37万7000年後、宇宙は電子と原子核が最初の安定した原子を形成できるほど冷えました。これは歴史的な理由から再結合と呼ばれ、電子と原子核が初めて結合したことを意味します。プラズマとは異なり、中性原子は多くの波長の光に対して透明であるため、宇宙もまた初めて透明になりました。これらの原子が形成された際に放出された（「分離」された）光子は、今日でも観測可能であり、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）を形成しています。[ 38 ] : 15–27

宇宙が膨張するにつれて、電磁放射のエネルギー密度は物質のエネルギー密度よりも急速に減少する。これは、各光子のエネルギーが宇宙論的赤方偏移によって減少するためである。約4万7000年頃、物質のエネルギー密度は光子やニュートリノのエネルギー密度を上回り、宇宙の大規模な挙動を支配するようになった。これは、放射支配の時代が終わり、物質支配の時代が始まったことを意味した。[ 39 ] : 390

宇宙の初期段階では、宇宙の密度の小さな変動が暗黒物質の集中を徐々に引き起こした。通常の物質は重力によってこれらの暗黒物質に引き寄せられ、巨大なガス雲を形成し、最終的には暗黒物質の密度が最も高い場所に恒星と銀河を形成し、最も低い場所にボイドを形成した。約1億年から3億年後、[ 39 ]：333 種族III星として知られる最初の星が形成された。これらはおそらく非常に質量が大きく、明るく、非金属で、寿命が短かった。これらは約2億年から5億年から10億年の間に宇宙を徐々に再電離させ、また恒星内元素合成を通じてヘリウムよりも重い元素を宇宙に供給した。[ 40 ]

宇宙には、ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギー（おそらくスカラー場）が存在し、その密度は時間とともに変化しません。約98億年後、宇宙は物質の密度がダークエネルギーの密度よりも小さくなるほど膨張し、現在のダークエネルギー優勢の時代が始まりました。[ 41 ]この時代、ダークエネルギーの影響で 宇宙の膨張は加速しています。

物理的特性

4つの基本的な相互作用のうち、天文学的な長さスケールでは重力が支配的です。重力の影響は累積的です。対照的に、正電荷と負電荷の影響は互いに打ち消し合う傾向があるため、天文学的な長さスケールでは電磁気力は比較的小さくなります。残りの2つの相互作用、弱い核力と強い核力は距離とともに急速に減少し、その影響は主に原子核より小さい長さスケールに限定されます。[ 42 ] : 1470

宇宙には反物質よりもはるかに多くの物質があるように見えるが、この非対称性はCP対称性の破れと関係している可能性がある。[ 43 ]物質と反物質のこの不均衡は、今日存在するすべての物質の存在に部分的に責任がある。なぜなら、物質と反物質がビッグバンで同量生成されたとしたら、それらは完全に消滅し、相互作用の結果として光子だけが残ったはずであるからである。[ 44 ]

規模と地域

太陽を中心とした観測可能な宇宙の図。距離のスケールは対数です。光の速度には限りがあるため、私たちはより遠い宇宙の部分を、より古い時代に観測することができます。

光の速度は有限であるため、宇宙の年齢にわたって光が移動できる距離には限界（粒子地平線として知られている）がある。私たちが光を受け取ることができる空間領域は、観測可能宇宙と呼ばれている。地球と観測可能宇宙の端との間の固有距離（固定時刻で測定）は460億光年[ 45 ] [ 46 ]（140億パーセク）であり、観測可能宇宙の直径は約930億光年（280億パーセク）となる。[ 45 ]観測可能宇宙の端から光が移動する距離は、宇宙の年齢に光速を掛けた138億光年（4.2 × 10 9  pc）に近いが、観測可能宇宙の端と地球はそれ以来さらに離れているため、固有距離はより大きくなる。[ 47 ]^

比較すると、天の川銀河の直径は約87,400光年であり[ 48 ]、天の川銀河に最も近い姉妹銀河であるアンドロメダ銀河は約250万光年離れています。[ 49 ]

人間は観測可能な宇宙の端を超える空間を観測できないため、宇宙全体の大きさが有限なのか無限なのかは不明である。[ 3 ] [ 50 ] [ 51 ] 2011年の推定では、宇宙論的原理が成り立つ場合、宇宙全体はハッブル球の250倍以上の大きさでなければならないと示唆されている。[ 52 ]一部の議論のある[ 53 ]宇宙の全体の大きさが有限である場合、境界なし提案の解決策で示唆されているように、メガパーセクに達するという推定もある。[ 54 ] [ b ]101010122{\displaystyle 10^{10^{10^{122}}}}

年齢と拡大

ラムダCDMモデルが正しいと仮定すると、多数の実験による様々な手法を用いたパラメータの測定により、2015年時点での宇宙の年齢の最良の値は137億9900万年± 0.021億年となる。 [ 2 ]

宇宙とその中身は、時とともに進化してきました。例えば、クエーサーと銀河の相対的な数が変化し[ 55 ]、宇宙は膨張してきました。この膨張は、遠方の銀河からの光が赤方偏移しているという観測結果から推測され、これは銀河が私たちから遠ざかっていることを示唆しています。Ia型超新星の解析は、膨張が加速していることを示唆しています[ 56 ] [ 57 ]。

宇宙に存在する物質が多ければ多いほど、物質間の重力的な引力は強くなります。宇宙の密度が高すぎると、再び重力特異点へと崩壊します。しかし、宇宙に含まれる物質が少なすぎると、自己重力が弱くなりすぎて、銀河や惑星のような天体構造を形成できなくなります。ビッグバン以来、宇宙は単調に膨張してきました。おそらく意外ではないかもしれませんが、私たちの宇宙は1立方メートルあたり約5個の陽子に相当する適切な質量エネルギー密度を持ち、それが過去138億年間の膨張を可能にし、今日観測されているような宇宙を形成する時間を与えてきました。[ 58 ] [ 59 ]

宇宙の粒子には膨張率に影響を与える力学的な力が働いている。1998年以前は、宇宙における重力相互作用の影響により、膨張率は時間の経過とともに減少すると予想されていた。そのため、宇宙には減速パラメータと呼ばれる追加の観測量があり、ほとんどの宇宙学者はこれが正で宇宙の物質密度と関連していると予想していた。1998年、減速パラメータは2つの異なるグループによって約-0.55という負の値と測定された。これは技術的には、宇宙スケールファクター の2次導関数が過去50億年から60億年の間、正であったことを意味する。[ 60 ] [ 61 ]1つの¨{\displaystyle {\ddot {a}}}

時空

現代物理学では、出来事は時空に組織化されているとみなしている。[ 62 ]この考え方は特殊相対性理論に由来しており、ある観測者が異なる場所で同時に2つの出来事が起こっているのを見た場合、最初の観測者に対して動いている2番目の観測者は、それらの出来事が異なる時間に起こっているのを見るだろうと予測している。[ 63 ] : 45–52 2人の観測者は、出来事間の時間については意見が一致せず、出来事を隔てる距離についても意見が一致しないが、光速については一致し、組み合わせに対して同じ値を計測する。[ 63 ] : 80 この量の絶対値の平方根は、2つの出来事の間隔と呼ばれる。間隔は、空間や時間だけでなく、時空という組み合わせた設定の中で、出来事がどれだけ広く離れているかを表す。[ 63 ] : 84, 136 [ 64 ]T{\displaystyle T}D{\displaystyle D}c{\displaystyle c}c2T2−D2{\displaystyle c^{2}T^{2}-D^{2}}

特殊相対性理論は平坦な時空を記述する。その後継理論である一般相対性理論は、重力を時空のエネルギー量に起因する曲率として説明する。軌道のような曲がった軌道は、物体を理想的な直線軌道から逸らす力の結果ではなく、他の質量の存在によって曲がった背景を物体が自由落下しようとする試みの結果である。物理学者の間でよく使われるジョン・アーチボルド・ホイーラーの発言は、この理論を次のように要約している。「時空は物質に動き方を指示し、物質は時空に曲がる方向を指示する」[ 65 ] [ 66 ]。したがって、どちらか一方だけを考えることに意味はない。[ 67 ]ニュートンの重力理論は、重力の効果が弱く、物体が光速に比べて遅い場合、一般相対性理論の予測をよく近似している。[ 68 ] : 327 [ 69 ]

物質分布と時空の曲率の関係は、アインシュタイン場の方程式によって与えられ、テンソル計算によって表現される。[ 70 ] : 43 [ 71 ]宇宙は、3つの空間次元と1つの時間次元からなる滑らかな時空連続体として現れる。したがって、物理的宇宙の時空における事象は、4つの座標( x , y , z , t )の集合によって識別できる。

形

宇宙の形状に関する3つの可能な選択肢

宇宙論者はしばしば、共動座標における一定時間の表面である時空の空間的なスライスを扱います。これらの空間スライスの幾何学的形状は、密度パラメータオメガ（Ω）によって決定されます。これは、宇宙の平均物質密度を臨界値で割った値として定義されます。Ωが1に等しいか、1より小さいか、1より大きいかによって、3つの可能な幾何学的形状のいずれかが選択されます。これらはそれぞれ、平坦宇宙、開宇宙、閉宇宙と呼ばれます。[ 72 ]

宇宙背景放射探査機（COBE）、ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機（WMAP）、プランク宇宙背景放射マップなどの観測結果は、フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー（FLRW）モデルで説明されるように、宇宙は無限の広がりと有限の年齢を持つことを示唆している。[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]これらのFLRWモデルは、インフレーションモデルと標準宇宙論モデルを支持し、現在は暗黒物質と暗黒エネルギーが支配的な平坦で均質な宇宙を記述している。[ 77 ] [ 78 ]

生命のサポート

微調整宇宙仮説とは、宇宙において観測可能な生命の存在を可能にする条件は、特定の普遍的な基本物理定数が非常に狭い範囲の値に収まっている場合にのみ成立するという命題である。この仮説によれば、いくつかの基本定数のいずれかがわずかに異なっていたとしても、宇宙は物質、天体構造、元素の多様性、あるいは現在理解されている生命の確立と発展に資する可能性は低いとされる。これが真実であるかどうか、そしてこの問いを問うこと自体が論理的に意味があるかどうかは、多くの議論の対象となっている。[ 79 ]この命題は、哲学者、科学者、神学者、そして創造論支持者の間で議論されている。[ 80 ]

構成

宇宙はほぼ完全に暗黒エネルギー、暗黒物質、そして通常の物質で構成されている。その他の構成要素としては、電磁波（宇宙全体の質量エネルギーの0.005%から0.01%近くを占めると推定されている）と反物質がある。[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]

あらゆる種類の物質とエネルギーの割合は、宇宙の歴史を通じて変化してきました。[ 84 ]宇宙内で発生した電磁放射の総量は、過去 20 億年で半分に減少しました。[ 85 ] [ 86 ]現在、原子、星、銀河、生命を含む通常の物質は、宇宙の内容物のわずか 4.9% を占めています。[ 7 ]この種の物質の現在の全体的な密度は非常に低く、およそ 4.5 × 10 −31グラム/立方センチメートルで、体積 4 立方メートルあたりわずか 1 個の陽子というオーダーの密度に相当します。[ 5 ]暗黒エネルギーと暗黒物質の性質は不明です。まだ特定されていない謎の物質である暗黒物質は、宇宙の内容物の 26.8% を占めています。空の空間のエネルギーであり、宇宙の膨張を加速させている暗黒エネルギーは、残りの 68.3% を占めています。[ 7 ] [ 87 ] [ 88 ]

ダークエネルギーを考慮した冷たいダークマターモデルにおけるクラスターと大規模フィラメントの形成。フレームは、4300万パーセク（1億4000万光年）のボックス内の構造が、赤方偏移30から現在（左上z=30から右下z=0）までどのように進化したかを示しています。
地球に最も近い超銀河団とボイドの地図

物質、暗黒物質、暗黒エネルギーは、およそ 3 億光年よりも長い長さのスケールでは、宇宙全体に均一に分布している。[ 89 ]しかし、より短い長さのスケールでは、物質は階層的に凝集する傾向があり、多くの原子が恒星に凝縮され、ほとんどの恒星が銀河に、ほとんどの銀河が銀河団、超銀河団、そして最終的には大規模な銀河フィラメントに凝縮される。観測可能な宇宙には、推定 2 兆個の銀河[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]と、全体では推定 10 24 個の恒星[ 93 ] [ 94 ]が含まれている。これは、地球上の砂浜の砂粒の総数よりも多くの恒星（および地球のような惑星）である。[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]しかし、宇宙で推定される原子の総数 10 82よりは少ない。[ 98 ]そしてインフレーション宇宙（観測済みおよび未観測）の星の総数は10 100と推定される。[ 99 ]典型的な銀河は、 1000 万[ 100 ] (10 7 ) 個の星しか持たない矮小銀河から1兆[ 101 ] (10 12 ) 個の星を持つ巨銀河までの範囲にわたる。大きな構造の間にはボイドがあり、その直径は通常 10–150 Mpc (3300 万–4 億 9000 万光年) である。天の川銀河は局部銀河群に属し、局部銀河群はラニアケア超銀河団に属している。[ 102 ]この超銀河団の範囲は 5 億光年以上、局部銀河群の範囲は 1000 万光年以上である。[ 103 ]宇宙には、相対的に空虚な領域も広大に存在する。最大の既知のボイドは、直径18億光年（550 Mpc）です。[ 104 ]

ビッグバンから38万年後の現在の宇宙の内容との比較。WMAPの5年間のデータ（2008年から）で測定。[ 105 ]四捨五入のため、これらの数値の合計は100%にはなりません。

観測可能な宇宙は超銀河団よりもはるかに大きなスケールでは等方性であり、これは地球から観測される宇宙の統計的性質があらゆる方向で同じであることを意味する。宇宙は高度に等方的なマイクロ波放射に満たされており、これは約2.72548ケルビンの熱平衡黒体スペクトルに相当する。[ 6 ]大規模宇宙が均質かつ等方性であるという仮説は、宇宙論原理として知られている。[ 106 ]均質かつ等方性の宇宙は、あらゆる視点から見て同じように見え、中心を持たない。[ 107 ] [ 108 ]

ダークエネルギー

宇宙の膨張が加速している理由については、いまだに解明されていない。これはしばしば「ダークエネルギー」の重力的な影響に起因するとされている。ダークエネルギーとは、宇宙に浸透していると仮定される未知のエネルギー形態である。 [ 109 ]質量エネルギー等価性の観点から見ると、ダークエネルギーの密度（約7×10-30g / cm3 ）は、銀河内の通常の物質、すなわちダークマターの密度よりもはるかに小さい。しかし、現在のダークエネルギー時代においては、ダークエネルギーは宇宙空間全体で均一であるため、宇宙の質量エネルギーを支配している。[ 110 ] [ 111 ]

ダークエネルギーの2つの形態として提案されているのは、宇宙定数（空間を均一に満たす一定のエネルギー密度） [ 112 ]と、クインテッセンスやモジュライなどのスカラー場（エネルギー密度が時間と空間で変化しながらも、観測される膨張率を引き起こすのに十分な浸透力を持つ動的な量）である。空間的に一定のスカラー場の寄与も、通常は宇宙定数に含まれる。宇宙定数は真空エネルギーと等価になるように定式化できる。

暗黒物質

暗黒物質は、電磁スペクトル全体に対しては見えないが、宇宙の物質の大部分を占める仮説上の物質の一種である。暗黒物質の存在と性質は、可視物質、放射線、そして宇宙の大規模構造に対するその重力的影響から推測される。高温の暗黒物質の一種であるニュートリノを除いて、暗黒物質は直接検出されておらず、現代天体物理学における最大の謎の一つとなっている。暗黒物質は、光やその他の電磁放射を有意なレベルで放出も吸収もしない。暗黒物質は、宇宙の全質量エネルギーの26.8%、全物質の84.5%を占めると推定されている。[ 87 ] [ 113 ]

普通の物質

宇宙の物体の質量と大きさ[ 114 ]

宇宙の質量エネルギーの残りの4.9%は通常の物質、すなわち原子、イオン、電子、そしてそれらが形成する物体である。この物質には、銀河から観測される光のほぼ全てを生み出す恒星、星間・銀河間媒体中の星間ガス、惑星、そして私たちがぶつかったり、触れたり、圧迫したりできる日常生活のあらゆる物体が含まれる。[ 115 ]宇宙の通常物質の大部分は目に見えない。なぜなら、銀河や銀河団内の目に見える恒星やガスは、宇宙の質量エネルギー密度に対する通常物質の寄与の10%未満を占めるに過ぎないからである。[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]

通常の物質は一般に、固体、液体、気体、プラズマの4つの状態（相）で存在する。[ 119 ]しかし、実験技術の進歩により、ボーズ・アインシュタイン凝縮体やフェルミオン凝縮体など、以前は理論上存在していた他の相も明らかになっている。[ 120 ] [ 121 ]通常の物質は、クォークとレプトンという2種類の素粒子で構成されている。[ 122 ]例えば、陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークで構成され、中性子は2つのダウンクォークと1つのアップクォークで構成され、電子はレプトンの一種である。原子は、陽子と中性子（どちらも重粒子）からなる原子核と、その周りを回る電子で構成されている。[ 42 ] : 1476

ビッグバンの直後、初期宇宙のクォーク・グルーオン・プラズマが2兆度以下に冷却するにつれて、原始的な陽子と中性子が形成された。数分後、ビッグバン元素合成として知られるプロセスで、原始的な陽子と中性子から原子核が形成された。この元素合成により、リチウムやベリリウムまでの原子番号が小さい軽い元素が形成されたが、原子番号が増加するにつれて、より重い元素の存在量が急激に減少した。この時点でいくらかのホウ素が形成された可能性があるが、次に重い元素である炭素は大量には形成されなかった。ビッグバン元素合成は、膨張する宇宙による温度と密度の急激な低下により、約20分後に停止した。その後のより重い元素の形成は、恒星元素合成と超新星元素合成によってもたらされた。[ 123 ]

粒子

4行4列の粒子表。列は物質（フェルミオン）の3世代と力（ボソン）の1世代を表します。最初の3列には、2行にクォークと2つのレプトンが含まれます。上2行の列には、それぞれアップクォーク（u）とダウンクォーク（d）、チャームクォーク（c）とストレンジクォーク（s）、トップクォーク（t）とボトムクォーク（b）、光子（γ）、グルーオン（g）が含まれます。下2行の列には、電子ニュートリノ（ν sub e）と電子（e）、ミューニュートリノ（ν sub μ）とミューオン（μ）、タウニュートリノ（ν sub τ）とタウ（τ）、そして弱い力（Z sup 0）とW sup ±が含まれます。各粒子の質量、電荷、スピンがリストされています。
素粒子の標準モデル：12 個の基本フェルミオンと 4 個の基本ボソン。茶色のループは、どのボソン（赤）がどのフェルミオン（紫と緑）と結合するかを示します。列は、物質（フェルミオン）の 3 つの世代と力（ボソン）の 1 つの世代です。最初の 3 つの列には、2 つの行にクォークと 2 つのレプトンが含まれます。上の 2 行の列には、アップ (u) とダウン (d) クォーク、チャーム (c) とストレンジ (s) クォーク、トップ (t) とボトム (b) クォーク、光子 (γ) とグルーオン (g) がそれぞれ含まれます。下の 2 行の列には、電子ニュートリノ (ν e ) と電子 (e)、ミューニュートリノ (ν μ ) とミューオン (μ)、タウニュートリノ (ν τ ) とタウ (τ)、および弱い力のキャリア Z 0と W ± が含まれます。各粒子の質量、電荷、スピンがリストされています。

通常の物質と物質に作用する力は、素粒子で記述することができます。[ 124 ]これらの粒子は、未知の基礎構造を持ち、より小さく、さらに基本的な粒子で構成されているかどうかが不明であるため、基本的な粒子として記述されることがあります。[ 125 ] [ 126 ]現代のほとんどのモデルでは、それらは空間内の点として考えられています。[ 127 ]すべての素粒子は現在、量子力学によって最もよく説明され、波動粒子二重性を示します。つまり、それらの挙動は粒子のような側面と波のような側面の両方を持ち、異なる状況下で異なる特徴が支配的になります。[ 128 ]

最も重要なのは標準モデルであり、これは電磁相互作用と弱い相互作用および強い相互作用を扱う理論である。[ 129 ]標準モデルは、物質を構成する粒子（クォークとレプトン、そしてそれらに対応する「反物質」双対）、そして相互作用を媒介する力粒子（光子、 WボソンとZボソン、グルーオン）の存在を実験的に確認することによって裏付けられている。[ 125 ]標準モデルは、最近発見されたヒッグス粒子の存在を予言した。ヒッグス粒子は、宇宙に存在する場の顕現であり、粒子に質量を与えることができる。[ 130 ] [ 131 ]標準モデルは、様々な実験結果を説明することに成功しているため、「ほぼ万物の理論」と見なされることもある。[ 129 ]しかし、標準モデルは重力を考慮に入れていない。真の力粒子理論は未だに達成されていない。[ 132 ]

ハドロン

ハドロンは、強い力によって結合したクォークからなる複合粒子です。ハドロンは2つのファミリーに分類されます。3つのクォークからなる重粒子（陽子や中性子など）と、 1つのクォークと1つの反クォークからなる中間子（パイ中間子など）です。ハドロンのうち、陽子は安定しており、原子核内に束縛された中性子も安定しています。その他のハドロンは通常の条件下では不安定であるため、現代の宇宙において重要ではない構成要素です。[ 133 ]：118–123

ビッグバン後約10−6秒から、ハドロン時代として知られる期間に、宇宙の温度はクォークがハドロンに結合できるほど低下し、宇宙の質量はハドロンによって支配されるようになった。当初、温度はハドロン-反ハドロン対の形成を可能にするほど高く、物質と反物質を熱平衡状態に保っていた。しかし、宇宙の温度が下がり続けると、ハドロン-反ハドロン対は生成されなくなった。その後、ハドロンと反ハドロンのほとんどは粒子-反粒子消滅反応で除去され、宇宙が誕生して約1秒になるまでに、わずかなハドロンだけが残った。[ 133 ] : 244–266

レプトン

レプトンは、半整数スピンを持つ基本的な粒子で、強い相互作用は受けませんが、パウリの排他原理に従うため、同じ種類の2つのレプトンが同時にまったく同じ状態になることはできません。[ 134 ]レプトンには、荷電レプトン（電子型レプトンとしても知られる）と中性レプトン（ニュートリノとしてよく知られている）の2つの主要なクラスがあります。電子は安定しており、宇宙で最も一般的な荷電レプトンですが、ミューオンとタウは不安定な粒子で、宇宙線が関係するものや粒子加速器で行われるような高エネルギー衝突で生成された後、すぐに崩壊します。[ 135 ] [ 136 ]荷電レプトンは他の粒子と結合して、原子やポジトロニウムなどのさまざまな複合粒子を形成できます。電子は原子の中に存在し、すべての化学的性質に直接結びついているため、化学のほぼすべてを支配しています。ニュートリノは他の物質とほとんど相互作用しないため、観測されることはほとんどありません。ニュートリノは宇宙全体に広がっていますが、通常の物質と相互作用することはほとんどありません。[ 137 ]

レプトン時代は、初期宇宙の進化において、レプトンが宇宙の質量を支配していた期間である。それはビッグバンのおよそ1秒後、ハドロン時代の終わりに大多数のハドロンと反ハドロンが互いに対消滅した後に始まった。レプトン時代の間、宇宙の温度はレプトン-反レプトン対を生成できるほど高く、レプトンと反レプトンは熱平衡状態にあった。ビッグバンのおよそ10秒後、宇宙の温度はレプトン-反レプトン対が生成されなくなるまで低下した。[ 138 ]その後、ほとんどのレプトンと反レプトンは対消滅反応で除去され、少量のレプトンの残留物が残った。そして、次の光子時代に入ると、宇宙の質量は光子によって支配されるようになった。[ 139 ] [ 140 ]

光子

光子は光量子であり、その他すべての電磁放射の形態である。光子は電磁力の媒介物である。光子の静止質量がゼロであるため、この力の影響は微視的レベルでも巨視的レベルでも容易に観測できる。そのため、長距離相互作用が可能となる。[ 42 ] : 1470

光子時代は、ビッグバンの約10秒後、レプトンと反レプトンの大部分が対消滅したレプトン時代の終わりに始まりました。原子核は、光子時代の最初の数分間に起こった元素合成の過程で生成されました。光子時代の残りの期間、宇宙は原子核、電子、光子からなる高温高密度のプラズマで満たされていました。ビッグバンの約38万年後、宇宙の温度は原子核が電子と結合して中性原子を生成できる温度まで低下しました。その結果、光子はもはや物質と頻繁に相互作用しなくなり、宇宙は透明になりました。この時期に生じた高度に赤方偏移した光子は、宇宙マイクロ波背景放射を形成しています。宇宙マイクロ波背景放射の温度の微小な変動は、宇宙の密度の変動に対応しており、これがその後のすべての構造形成の初期の「種」となりました。[ 133 ] : 244–266

居住性

宇宙における生命の頻度は、ドレイク方程式の問題とそれに対する様々な見解、フェルミのパラドックス（地球外生命の兆候が見つかっていない状況）の特定から、生命が宇宙の物理的宇宙論に内在しているという生物物理学的宇宙論の議論まで、天文学と宇宙生物学において頻繁に研究されるポイントとなっている。[ 141 ]

宇宙論モデル

一般相対性理論に基づく宇宙モデル

一般相対性理論は、アルバート・アインシュタインが1915年に発表した幾何学的重力理論であり、現代物理学における重力の現在の記述である。これは、現在の宇宙論モデルの基礎となっている。一般相対性理論は、特殊相対性理論とニュートンの万有引力の法則を一般化し、重力を空間と時間、すなわち時空の幾何学的性質として統一的に記述する。特に、時空の曲率は、存在する物質や放射線のエネルギーと運動量に直接関係している。 [ 142 ]

この関係は、偏微分方程式系であるアインシュタイン場の方程式によって規定されます。一般相対性理論では、物質とエネルギーの分布が時空の幾何学を決定し、それが物質の加速を記述します。したがって、アインシュタイン場の方程式の解は宇宙の進化を記述します。宇宙における物質の量、種類、分布の測定値と組み合わせることで、一般相対性理論の方程式は、時間経過に伴う宇宙の進化を記述します。[ 142 ]

宇宙はどこでも均質かつ等方的であるという宇宙論的原理の仮定のもと、宇宙を記述する場の方程式の特定の解はフリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量と呼ばれる計量テンソルである。

ds2＝−c2dt2+R（t）2（dr21−けr2+r2dθ2+r2罪2⁡θdϕ2）{\displaystyle ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+R(t)^{2}\left({\frac {dr^{2}}{1-kr^{2}}}+r^{2}d\theta ^{2}+r^{2}\sin^{2}\theta \,d\phi^{2}\right)}

ここで、 ( r、 θ 、 φ ) は球面座標系に対応する。この計量には、未決定のパラメータが 2 つだけある。全体的な無次元の長さのスケール係数Rは、宇宙の大きさのスケールを時間の関数として記述し ( Rの増加は宇宙の膨張)、[ 143 ]曲率指数kは幾何学を記述する。指数kは、次の 3 つの値のうちの 1 つだけを取るように定義される。0 (平坦ユークリッド幾何学に対応)、1 (正の曲率の空間に対応)、-1 (正または負の曲率の空間に対応)。[ 144 ]時間tの関数としてのRの値は、kと宇宙定数Λに依存する。[ 142 ]宇宙定数は宇宙の真空のエネルギー密度を表し、ダークエネルギーに関連がある可能性がある。[ 88 ] Rが時間とともにどのように変化するかを説明する方程式は、発明者であるアレクサンダー・フリードマンにちなんでフリードマン方程式として知られている。[ 145 ]

R(t)の解はkとΛに依存するが、そのような解のいくつかの定性的な特徴は一般性を持つ。まず、そして最も重要なのは、宇宙の長さスケールR が一定であり続けるためには、宇宙が正の曲率（k = 1 ）を持つ完全な等方性を持ち、かつ密度があらゆる場所で正確な値を持つ必要があるということである。これはアルバート・アインシュタインによって初めて指摘された。[ 142 ]

第二に、すべての解は、 Rがゼロになり、物質とエネルギーの密度が無限大であった過去に重力特異点が存在したことを示唆している。この結論は、完全な均質性と等方性（宇宙論的原理）という疑わしい仮定と、重力相互作用のみが重要であるという仮定に基づいているため、不確実であるように思えるかもしれない。しかし、ペンローズ＝ホーキング特異点定理は、非常に一般的な条件下では特異点が存在するはずであることを示している。したがって、アインシュタインの場の方程式によれば、Rは、この特異点の直後（Rが小さく有限の値を持っていたとき）に存在した想像を絶するほど高温で高密度の状態から急速に増加した。これがビッグバン宇宙モデルの本質である。ビッグバンの特異点を理解するには、おそらく量子重力理論が必要であるが、これはまだ定式化されていない。[ 146 ]

第三に、曲率指数kは、十分に大きな長さのスケール（約 10 億光年以上）にわたって平均化された一定時間空間表面の曲率の符号を決定します[ 144 ] 。 k = 1 の場合、曲率は正であり、宇宙は有限の体積を持ちます。[ 147 ]正の曲率を持つ宇宙は、4 次元空間に埋め込まれた3 次元の球として視覚化されることがよくあります。逆に、 kが 0 または負の場合、宇宙は無限の体積を持ちます。[ 147 ] R = 0 のときに、無限でありながら無限に密度の高い宇宙が一瞬で作成されることは直感に反するように思えるかもしれませんが、 kが非正で宇宙原理が満たされている場合、まさにそれが数学的に予測されます。類推すると、無限平面は曲率が 0 ですが面積は無限ですが、無限の円筒は一方向に有限であり、トーラスは両方向に有限です。

宇宙の最終的な運命は、曲率指数kと宇宙定数Λに決定的に依存しているため、未だに不明である。宇宙が十分に高密度であれば、kは +1 となり、宇宙全体の平均曲率は正となり、宇宙は最終的にビッグクランチで再崩壊し、[ 148 ]ビッグバウンスで新しい宇宙が始まる可能性がある。逆に、宇宙が不十分な密度であれば、k は0 または -1 となり、宇宙は永遠に膨張し、冷却して最終的にビッグフリーズに達し、宇宙の熱的死に至る。[ 142 ]現代のデータは、宇宙の膨張が加速していることを示唆しており、この加速が十分に急速であれば、宇宙は最終的にビッグリップに達する可能性がある。観測的には、宇宙は平坦（ k = 0 ）に見え、全体的な密度は再崩壊と永遠の膨張の間の臨界値に非常に近い。[ 149 ]

多元宇宙仮説

いくつかの仮説的理論では、私たちの宇宙は、多元宇宙（multiverse）と呼ばれる、断片的な宇宙の集合体の一つに過ぎないと提唱されており、宇宙のより限定的な定義に疑問を投げかけたり、強化したりするものである。[ 15 ] [ 150 ]マックス・テグマークは、物理学における様々な問題への回答として科学者が提唱してきた様々なタイプの多元宇宙を4つの部分から分類する体系を考案した。そのような多元宇宙の一例としては、初期宇宙のカオス的インフレーションモデルから生じるものがあげられる。 [ 151 ]

もう一つは、量子力学の多世界解釈から生じる多元宇宙である。この解釈では、量子重ね合わせやデコヒーレンスに似た方法で並行世界が生成され、波動関数のすべての状態が別々の世界で実現される。事実上、多世界解釈では、多元宇宙は普遍的な波動関数として進化する。もし私たちの多元宇宙を創造したビッグバンが多元宇宙の集合体を創造したとしたら、この意味で集合体の波動関数はエンタングルメントされているだろう。[ 152 ]この描像から科学的に意味のある確率を抽出できるかどうかは、これまでも、そしてこれからも多くの議論の的であり続け、多世界解釈には複数のバージョンが存在する。[ 153 ] [ 154 ] [ 155 ]量子力学の解釈という主題は、一般的に意見の相違によって特徴づけられる。[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]

テグマークの体系における多元宇宙のカテゴリーの中で、最も議論の少ないものの、依然として激しい論争の的となっているのがレベルIである。このレベルの多元宇宙は、「我々自身の宇宙」における遠方の時空事象によって構成されている。テグマークら[ 159 ]は、空間が無限であるか、十分に大きく均一である場合、地球のハッブル宇宙空間全体の歴史と同一の事例が、単なる偶然によって時折発生すると主張している。テグマークは、我々に最も近いいわゆるドッペルゲンガーは、10の10乗の115乗メートル（グーゴルプレックスよりも大きい二重指数関数）離れていると計算した。[ 160 ] [ 161 ]しかし、ここで用いられている議論は推測的な性質のものである。[ 162 ]

互いに相互作用することができない、互いに分断された時空を想像することは可能である。[ 160 ] [ 163 ]この概念を分かりやすく視覚化した比喩は、独立したシャボン玉の集合である。この集合では、あるシャボン玉の上に住む観測者は、原理的にさえ、他のシャボン玉の上に住む観測者と相互作用することはできない。[ 164 ]ある一般的な用語によれば、時空のそれぞれの「シャボン玉」は宇宙と表記され、人間特有の時空は宇宙と表記される。[ 15 ]人間が地球の月を月と呼ぶのと同じように。これらの分断された時空の集合全体は、多元宇宙と表記される。[ 15 ]

この用語を用いると、異なる宇宙は因果的に互いにつながっていない。 [ 15 ]原理的には、他のつながっていない宇宙は異なる次元や時空のトポロジー、異なる物質やエネルギーの形態、異なる物理法則や物理定数を持つ可能性があるが、そのような可能性はあくまでも推測の域を出ない。[ 15 ]また、カオス的インフレーションの一部として生成された複数のバブルのそれぞれを別々の宇宙と考える人もいるが、このモデルではこれらの宇宙はすべて因果的な起源を共有している。[ 15 ]

歴史的概念

歴史的に、宇宙（宇宙論）とその起源（宇宙起源論）については多くの考えが存在した。物理法則に支配された非人格的な宇宙の理論は、ギリシャ人とインド人によって初めて提唱された。[ 165 ]古代中国の哲学は、宇宙にはすべての空間とすべての時間が含まれるという概念を含んでいた。[ 166 ]何世紀にもわたって、天体観測や運動理論、重力理論の進歩により、宇宙の記述はますます正確になった。現代宇宙論は、アルバート・アインシュタインが1915年に発表した一般相対性理論から始まり、この理論によって宇宙全体の起源、進化、そして終焉を定量的に予測することが可能になった。現代で受け入れられている宇宙論の理論のほとんどは、一般相対性理論、より具体的には予測されたビッグバンに基づいている。[ 167 ]

神話

多くの文化には、世界と宇宙の起源を描いた物語があります。これらの物語は一般的にある程度の真実性を持つと考えられています。しかしながら、超自然的な起源を信じる人々の間では、これらの物語がどのように当てはまるかについては、神が現在の宇宙を直接創造したという説から、神が単に「車輪を動かした」（例えばビッグバンや進化といったメカニズムを通して）という説まで、様々な見解があります。[ 168 ]

神話を研究する民族学者や人類学者は、創造物語に登場する様々なテーマについて、様々な分類体系を開発してきた。[ 169 ] [ 170 ]例えば、あるタイプの物語では、世界は世界の卵から生まれる。そのような物語には、フィンランドの叙事詩カレワラ、中国の盤古の物語、インドのブラフマンダ・プラーナなどがある。関連する物語では、チベット仏教のアディ・ブッダの概念、古代ギリシャのガイア（母なる大地）の物語、アステカの女神コアトリクエの神話、古代エジプトの神アトゥムの物語、アブラハムの神が宇宙を創造したというユダヤ・キリスト教の創世記の創造物語のように、宇宙は単一の存在が自ら何かを発散または生成することで創造される。別のタイプの物語では、マオリのランギとパパの物語のように、宇宙は男性神と女性神の結合から創造される。他の物語では、宇宙は既存の素材から作り出される。例えば、バビロニア叙事詩『エヌマ・エリシュ』のティアマトや北欧神話の巨人ユミルのように、死せる神の死体から、あるいは日本神話のイザナギとイザナミのように混沌とした素材から創造される。また、ブラフマンやプラクリティといった根本原理、そしてセレルの創世神話から宇宙が生まれるという物語もある。[ 171 ]

哲学的モデル

ソクラテス以前のギリシャの哲学者とインドの哲学者は、宇宙に関する最も初期の哲学的概念のいくつかを展開した。[ 165 ] [ 172 ]最初期のギリシャの哲学者は、外見は人を欺くことがあると指摘し、外見の背後にある根本的な現実を理解しようとした。特に、彼らは物質が形を変える能力（例えば、氷から水、そして蒸気へ）に注目し、多くの哲学者が、世界のすべての物理的物質は単一の根源的物質、つまりアルケーの異なる形態であると提唱した。最初にこれを提唱したのはタレスで、この物質が水であると提唱した。タレスの弟子アナクシマンドロスは、すべてのものが無限のアペイロンから生まれたと提唱した。アナクシメネスは、アルケーがさまざまな形に凝縮または解離する原因となる、空気の引力と反発力の性質から、根源的物質は空気であると提唱した。アナクサゴラスはヌース（心）の原理を提唱し、ヘラクレイトスは火を提唱し（ロゴスについても語った）、エンペドクレスは土、水、空気、火を元素として提唱した。彼の四元素モデルは非常に人気を博した。ピタゴラス同様、プラトンも万物は数で構成されていると信じ、エンペドクレスの元素はプラトンの立体の形をとった。デモクリトス、そして後の哲学者、特にレウキッポスは、宇宙は空間（真空）を移動する分割できない原子で構成されていると提唱したが、アリストテレスは空気は水と同様に運動に抵抗するため、これは実現可能だとは考えなかった。空気はすぐに空間を埋めようと流れ込み、しかも抵抗がなければ、いつまでも速く流れ込むであろう。[ 165 ]

ヘラクレイトスは永遠の変化を主張したが、[ 173 ]同時代人のパルメニデスは不変を強調した。パルメニデスの詩『自然について』は、すべての変化は幻想であり、真の根底にある実在は永遠に不変で単一の性質を持つ、あるいは少なくとも存在するすべてのものの本質的な特徴は起源も変化も終わりもなく永遠に存在しなければならないと解釈されている。[ 174 ]彼の弟子であるエレアのゼノンは、いくつかの有名なパラドックスで運動に関する日常的な概念に異議を唱えた。アリストテレスはこれらのパラドックスに対して、潜在的な可算な無限と無限に分割可能な連続体の概念を展開することで対応した。[ 175 ] [ 176 ]

ヴァイシェーシカ学派の創始者であるインドの哲学者 、カナダは原子論の概念を発展させ、光と熱は同一の物質の変種であると提唱した。[ 177 ]西暦5世紀には、仏教の原子論哲学者ディグナーガが、原子は点状で持続せず、エネルギーで構成されていると提唱した。彼らは実体物質の存在を否定し、運動はエネルギー流の瞬間的な閃光で構成されていると提唱した。[ 178 ]

時間有限主義の概念は、ユダヤ教、キリスト教、イスラム教という3つのアブラハムの宗教に共通する創造の教義に触発されたものである。キリスト教哲学者ヨハネス・ピロポノスは、古代ギリシャの無限の過去と未来の概念に反論する哲学的議論を提示した。無限の過去に対するピロポノスの議論は、初期のイスラム哲学者アル・キンドゥス、ユダヤ哲学者サアディア・ガオン（サアディア・ベン・ジョセフ）、そしてイスラム神学者アル・ガザーリー（アルガゼル）によって用いられた。[ 179 ]

汎神論は、宇宙そのものが神性と至高の存在と同一であるという哲学的宗教的信念である。[ 180 ]したがって、物理的宇宙は、すべてを包含する内在する神として理解される。[ 181 ]「汎神論者」という用語は、すべてのものが統一体を構成し、この統一体は神聖であり、すべてを包含する顕現した神または女神から成ると信じる人を指す。[ 182 ] [ 183 ]

天文学の概念

紀元前3世紀、アリスタルコスが太陽、地球、月の相対的な大きさを左から右へ計算したもの。紀元後10世紀のギリシャの写本より。

現代天文学の前身となる人物の記録として確認できる最も古いものは、紀元前3000年から1200年頃の古代エジプトとメソポタミアのものである。[ 184 ] [ 185 ]紀元前7世紀のバビロニアの天文学者たちは、世界を海に囲まれた平らな円盤とみなしていた。 [ 186 ] [ 187 ]

後期ギリシャの哲学者たちは天体の運行を観察し、より深く経験的証拠に基づいた宇宙モデルの開発に関心を抱いた。宇宙の最も初期の宇宙モデルのいくつかは古代ギリシャとインドの哲学者によって開発されたもので、地球を中心とした地動説であった。 [ 188 ] [ 165 ]最初の首尾一貫したモデルはプラトンの弟子であるクニドスのエウドクソスによって提唱された。彼は天体の運行は円形でなければならないというプラトンの考えに従っていた。惑星の運行、特に逆行運動の既知の複雑さを説明するためにエウドクソスのモデルには 27 の異なった天球が含まれていた。肉眼で見える惑星それぞれに 4 つ、太陽と月それぞれに 3 つ、恒星に 1 つである。これらの球体はすべて地球を中心とし、地球は永遠に回転しながら静止していた。アリストテレスはこのモデルを発展させ、惑星の運動をより詳細に説明するために球の数を55に増やした。アリストテレスにとって、通常の物質は地球球の中に完全に収まり、天界物質とは根本的に異なる規則に従っていた。[ 189 ] [ 190 ]

アリストテレス以後の論文『世界について』（著者および出版年は不明）には、「5つの要素が球面上および5つの領域に配置され、小さい要素がそれぞれ大きい要素に囲まれている ― すなわち、土は水に囲まれ、水は空気に囲まれ、空気は火に囲まれ、火はエーテルに囲まれている ― ことで宇宙全体が構成されている」と記されている。[ 191 ]このモデルはカリポスによっても改良され、同心球が放棄された後、プトレマイオスによって天文学的観測とほぼ完全に一致するようになった。[ 192 ]このようなモデルの成功は、あらゆる関数（惑星の位置など）を一連の円関数（フーリエモード）に分解できるという数学的事実に大きく依存している。ピタゴラス派の哲学者フィロラオスなどの他のギリシャの科学者は、 （ストバエウスの記述によれば）宇宙の中心には「中心の火」があり、その周りを地球、太陽、月、惑星が均一な円運動で回転していると仮定した。[ 193 ]

ギリシャの天文学者 サモス島のアリスタルコスは、太陽中心の宇宙モデルを提唱した最初の人物として知られています。原文は失われていますが、アルキメデスの著書『砂の計算者』には、アリスタルコスの太陽中心モデルに関する記述があります。アルキメデスは次のように記しています。

ゲロン王よ、宇宙とは、多くの天文学者が地球の中心を中心とし、半径が太陽と地球の中心を結ぶ直線に等しい球体を指す呼称であることはご承知の通りです。これは、あなたが天文学者から聞いたことのある一般的な説明です。しかし、アリスタルコスはいくつかの仮説をまとめた書物を出版しました。その中で、仮定の結果として、宇宙は今述べた宇宙よりも何倍も大きいことが明らかになっています。彼の仮説とは、恒星と太陽は動かず、地球は太陽の周りを円周上を公転し、太陽は軌道の中心に位置し、恒星の球面は太陽の中心付近に位置し、地球が公転すると想定される円と恒星の距離は、球面の中心と恒星の表面の距離の比に等しいというものです。[ 194 ]

アリスタルコスは、星々が非常に遠くにあると考え、これが恒星視差が観測されなかった理由だと考えた。つまり、地球が太陽の周りを公転するにつれて、恒星が互いに相対的に動くのが観測されなかったのだ。実際には、恒星は古代に一般的に想定されていた距離よりもはるかに遠くにあり、そのため恒星視差は精密機器でしか検出できない。惑星視差と一致する地動説が、恒星視差の観測不可能な理由の説明として想定された。[ 195 ]

フラマリオンの彫刻、パリ 1888

古代の天文学者でアリスタルコスの太陽中心説を支持した人物として名前が知られているのは、アリスタルコスの1世紀後に生きたヘレニズム時代の天文学者、セレウキアのセレウコスのみである。 [ 196 ] [ 197 ] [ 198 ]プルタルコスによると、セレウコスは推論によって太陽中心説を証明した最初の人物であるが、どのような議論を用いたかはわかっていない。セレウコスの太陽中心宇宙論の議論は、おそらく潮汐現象に関連していた。[ 199 ]ストラボン(1.1.9)によると、セレウコスは潮汐は月の引力によるものであり、潮の高さは太陽に対する月の相対的な位置に依存すると述べた最初の人物である。[ 200 ]あるいは、彼は16世紀のニコラウス・コペルニクスと同様に、幾何学モデルの定数を決定し、このモデルを使用して惑星の位置を計算する方法を開発することによって、太陽中心説を証明した可能性があります。 [ 201 ]中世には、ペルシャの天文学者アルブマサル[ 202 ]とアル・シジィ[ 203 ]によっても太陽中心モデルが提唱されました。

1576年にトーマス・ディッグスが提唱したコペルニクス宇宙モデル。星々はもはや球形ではなく、惑星を取り囲む空間全体に均一に広がっているという修正が加えられている。

アリストテレスモデルは西洋世界で約2000年の間受け入れられていたが、コペルニクスがアリスタルコスの視点を復活させ、地球が自転し、太陽が宇宙の中心にあるとすれば天文学的データはより説得力を持って説明できると主張した。[ 204 ]

中心には太陽が輝いています。この美しい寺院のランプを、同時に全てを照らすこの場所よりも良い場所、あるいは別の場所に置く人がいるでしょうか？

— ニコラウス・コペルニクス、『 De Revolutionibus Orbium Coelestrum』第 1 巻第 10 章（1543 年）

コペルニクスが指摘したように、地球が自転しているという考えは非常に古く、少なくともフィロラオス（紀元前 450年頃）、ヘラクレイデス・ポンティコス（紀元前 350年頃）、ピタゴラス学派のエクファントスにまで遡る。コペルニクスのおよそ1世紀前、キリスト教学者ニコラウス・クザーヌスも著書『学識ある無知について』（1440年）の中で、地球が自転していると提唱している。 [ 205 ]アル・スィジィ[ 206 ]も、地球が自転していると提唱している。彗星現象を用いて、地球が自転していることを実証的に証明したのは、トゥーシィ（1201年 - 1274年）とアリー・クシュジー（1403年 - 1474年）である。[ 207 ]

この宇宙論は、アイザック・ニュートン、クリスティアーン・ホイヘンスおよび後代の科学者らに受け入れられた。[ 208 ]ニュートンは、同じ運動法則および重力法則が地球上の物質と天体の物質に適用されることを実証し、アリストテレスによる両者の区分は時代遅れとなった。エドモンド・ハレー（1720）[ 209 ]およびジャン＝フィリップ・ド・シェソー（1744）[ 210 ]はそれぞれ独立に、均一な星で満たされた無限の空間を仮定すると、夜空は太陽と同じくらい明るくなると予測されることを指摘した。これは、19世紀にオルバースのパラドックスとして知られるようになった。 [ 211 ]ニュートンは、均一な物質で満たされた無限の空間は、無限の力および不安定性を引き起こし、物質が自身の重力によって内側に押しつぶされると考えていた。[ 208 ]この不安定性は1902年にジーンズ不安定性基準によって明らかにされた。[ 212 ]これらのパラドックスの1つの解決策はシャルリエ宇宙である。シャルリエ宇宙では、物質はフラクタル的に階層的（より大きなシステムの中で無限に周回する軌道を回る天体のシステム）に配置されており、宇宙全体の密度は無視できるほど小さい。このような宇宙論モデルは、ヨハン・ハインリヒ・ランベルトによって1761年にすでに提唱されていた。[ 213 ] [ 214 ]

深宇宙天文学

18世紀、イマヌエル・カントは、星雲は天の川銀河から独立した銀河全体である可能性があると推測しました。 [ 209 ]そして1850年、アレクサンダー・フォン・フンボルトはこれらの独立した銀河をウェルティンゼルン（世界島）と呼びました。この用語は後に「島宇宙」へと発展しました。[ 215 ] [ 216 ] 1919年にフッカー望遠鏡が完成した当時、宇宙は天の川銀河のみで構成されているというのが当時の一般的な見解でした。エドウィン・ハッブルはフッカー望遠鏡を用いて、いくつかの渦巻星雲にセファイド変光星を発見し、1922年から1923年にかけてアンドロメダ星雲やさんかく座などが、私たちの銀河系外にある銀河全体であることを決定的に証明しました。こうして宇宙は多数の銀河で構成されていることが証明されました。[ 217 ]これによりハッブルはハッブル定数を定式化し、これによって初めて宇宙の年齢と観測可能な宇宙の大きさを計算できるようになり、20億年と2億8000万光年から測定精度が上がり、2006年にはハッブル宇宙望遠鏡のデータによって宇宙の年齢と観測可能な宇宙の大きさの非常に正確な計算が可能になった。[ 218 ]

物理宇宙論の近代は、アルバート・アインシュタインが初めて一般相対性理論を応用して宇宙の構造とダイナミクスをモデル化した1917年に始まりました。 [ 219 ]この時代における発見と未解決の疑問については、上記のセクションで概説しています。

2018年時点で知られている主要な天体の一部を含む、観測可能な宇宙の地図。長さのスケールは右に行くほど指数関数的に増加します。天体は形状を理解しやすいように拡大表示されています。
宇宙における地球の位置
地球
太陽系
ラドクリフ・ウェーブ
オリオンアーム
天の川
ローカルグループ
乙女座SCl
ラニアケア SCl
観測可能な宇宙

参照

参考文献

脚注

  1. ^ a b現代物理学、特に相対性理論によれば、空間と時間は時空として本質的に結びついている。
  2. ^引用元ではメガパーセクで記載されているが、この数字は非常に大きいため、ナノメートルであろうとギガパーセクであろうと、従来のどの単位で記載されていても、その数字は事実上変更されないままであり、その差は誤差として消えてしまう。

引用

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    ヒンドゥー教の二つの思想体系は、ギリシャのものと示唆的に類似した物理理論を提唱している。ヴァイシェーシカ哲学の創始者であるカナダは、世界は様々な元素と同じ種類の原子で構成されていると説いた。ジャイナ教は、すべての原子は同じ種類であり、多様な組み合わせによって異なる効果を生み出すと教え、デモクリトスに近づいた。カナダは光と熱が同じ物質の変種であると信じ、ウダヤナはすべての熱は太陽から来ると教えた。そしてヴァチャスパティはニュートンと同様に、光は物質から放出され目に当たる微粒子で構成されていると解釈した。

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    仏教徒は実体の存在を完全に否定した。彼らにとって運動とは瞬間であり、スタッカートのような動き、エネルギーの流れの瞬間的な閃光である…「万物ははかない」と仏教徒は言う。なぜなら、物質は存在しないからだ… 両体系（サーンキヤ、そして後のインド仏教）は共通して、存在の分析を、絶対的な性質、あるいは唯一の固有の性質を持つ事物として想像される、その極微の要素にまで押し進める傾向がある。それらは、経験的な事物を構成する一種の原子エネルギー、あるいは原子内エネルギーである絶対的な性質という意味で、両体系において「質」（グナ・ダルマ）と呼ばれている。したがって、両体系は、実体と質というカテゴリーの客観的実在性、そしてそれらを結びつける推論の関係を否定する点で一致している。サーンキヤ哲学には、質の個別的な存在は存在しない。私たちが質と呼ぶものは、微細な実体の特定の顕現に過ぎない。あらゆる新しい質の単位には、微細な量の…物質はグナ（「質」）と呼ばれますが、微細な実体を表します。同じことが初期仏教にも当てはまり、そこではすべての質は実体的であり…より正確には、動的な実体ですが、ダルマ（「質」）とも呼ばれます。

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参考文献

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