宇宙って本当はどんな形？

現代の研究によると、宇宙は平らです。しかし、それはどういう意味ですか?

目次

• 1 幾何学、トポロジー、ビッグバン
• 2 有限 vs 無限
• 3 ビッグバンはどうですか?
• 4 宇宙の全体的な形

幾何学、トポロジー、ビッグバン

宇宙の形について考えるのは、それ自体が少しばかげています。何かの形を考えるとき、それは外から見るものですが、どうして外から宇宙を見ることができるでしょうか?これについて議論するとき、天文学者は一般に次の 2 つの概念にアプローチします。

宇宙全体を観察でき、その幾何学やその他の特性によって何らかの制限を受けない場合、この 2 つは一致します。しかし、この 2 つが一致しない可能性は十分にあり、私たちの観測は、宇宙の本質的な特性によって何らかの形で制限されています。少なくとも今は、実際にはわかりません.

ほとんどの人は、宇宙全体が対称的に丸い、つまり地球のような球体のような形であると予想しています。地球といえば、ちょっと考えてみましょう。地球が平らではないことはわかっていますが、それはどういう意味ですか?幾何学的には、表面の平行線が実際には平行ではないことを意味します。すべての線は、たとえそれらが平行に始まったとしても、いずれかの極で結合することになり、それらの間の距離は一定ではなくなります。以下のように:

したがって、平らな宇宙は、引かれた平行線が平行のままであることを意味します。ここに鍵があります。大まかに言えば、物事を単純化すると、科学者は、いくつかの銀河からの光が、宇宙のかなりの距離にわたって互いに平行のままであることに注目しました。バリオン振動分光サーベイ（BOSS）望遠鏡は、観測可能な宇宙が実際に平らであるという非常に強力な証拠をいくつか提供しましたが、その意味は不可解です。

宇宙がおそらく平らである理由を詳しく説明している優れたビデオ :

有限 vs 無限

その形を含む宇宙についてのもう 1 つの議論は、無限です。宇宙は本当に大きいことはわかっていますが、本当に無限なのでしょうか?

太古の昔から、人間はそう自問してきました。 18 世紀、ドイツの天文学者ハインリヒ ヴィルヘルム オルバースはパラドックスを思い付きました。宇宙が無限であれば、空は暗くならないでしょう。なんで？どこを見ても無限の空間があり、やがて光を放つ星に出会うからです。夜空が完全に明るくなるわけではないので、宇宙は無限ではありません。残念ながら、それはそれほど単純ではありません。オルバーのパラドックスにはいくつかの説明があり、どれも単純ではありません。宇宙は急速に膨張しているため、遠くの星は赤方偏移して不明瞭になります。または、他の星からの光がまだ私たちに届いていないだけです。繰り返しますが、実際にはわかりません.私たちが知っていることは、約 137 億年以上前の天体 (最新の数字) は遠すぎて、その光が私たちに届かないということです。では、宇宙の年齢はほぼわかっていますが、そのサイズはどうでしょうか?

「あらゆる方向を見て、それがどれほど大きいか見てみませんか?」と言うことができます。残念ながら、繰り返しになりますが、それほど単純ではありません。

観測可能な宇宙の直径は 910 億光年です。観測可能な宇宙の端から光が移動した距離は、宇宙の年齢に光の速度を掛けた 138 億光年に非常に近いですが、これは任意の時点での距離を表しているわけではありません。それ以来、観測可能な宇宙と地球はさらに離れています。観測可能な宇宙の外側の空間を観測することはできないため、宇宙が無限であるかどうかを直接知ることはできません。 Cosmic Background Explorer (COBE)、Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)、CMB の Planck マップなどの最新の測定結果は、宇宙の範囲が無限であることを示唆していますが、それはまだ進行中の議論です。

しかし、ビッグバンはどうですか?

ほとんどの人は、ビッグバンの間に何が起こったのかについて何らかの基本的な考えを持っていますが、これが最も誤解されているところです.宇宙が誕生したのはその時なので、ほとんどの人は宇宙があらゆる方向に均等に膨張すると想像していますが、それはおそらくそうではありませんでした。ビッグバン以前には、空間も時間もありませんでした。したがって、宇宙が膨張するビッグバンの「外側」には何もありません。宇宙は非常に小さな体積から巨大な体積へと単純に膨張し、この膨張は今日でも起こっています – しかし膨張がすべての方向で対称的に起こったという保証はありません.

それでは、ローカル ジオメトリとグローバル ジオメトリに戻りましょう。私たちの科学的観測が検出しているのは、局所的な幾何学、観測可能な宇宙です (観測可能なものしか観測できないため、この名前が付けられました)。私たちの観察は、徹底的でよく考えられているかもしれませんが、網羅的ではありません.

宇宙の全体的な形

最終的には、潜在的に平坦で潜在的に無限の宇宙が残されますが、その全体的な形状はどのようなものでしょうか?残念ながら、私たちは本当に知りません。線が平行で、観測できる宇宙が平らであっても、宇宙全体が平らであるとは限りません。私たちが知っているメビウスの帯である可能性があります。つまり、空間が曲がったり歪んだりする形状ですが、線は平行のままで、最終的に空間の一端を別の端に接続します.

結局のところ、3 つの異なる可能性があり、それぞれに明確な意味があります。

• 曲率ゼロの宇宙。フラットな宇宙。必ずしも無限ではなく、必ずしも一枚の紙のように見えるとは限りません。トーラスのような形をしている場合もあります。
• 曲率が正の宇宙。球状の形
• 負の曲率を持つ宇宙。局所的には、無限に伸びたサドル形状の 3 次元類似物と考えることができます。

どちらが真実かはわかりません。私たちが知っていることは、観測可能な宇宙は平らであるということです – そしてそれ自体が驚くべき発見です.