ビッグバンと同じくらい成功した宇宙の理論については、その推進者がどれだけ多くの複雑な問題を乗り越えなければならなかったかを理解するのは驚くべきことかもしれません.アインシュタインの「場の方程式」について注目に値する何かを最初に利用した、優秀なロシアの数学者であり気象学者であるアレクサンダー・フリードマンの不運な人物から始めましょう。
1917 年、アインシュタインは、おそらくあまりにも異様に見えないように、場の方程式を使用して、伝統的なニュートンの見解と非常によく似た宇宙のモデルを導き出すことができると主張しました。アインシュタインのモデルの違いは、ニュートンのモデルが無限であるのに対し、サイズが有限であることです。
これはアインシュタインに対して保守的すぎる、とフリードマンは考えた。代わりに、彼はアインシュタインのモデルを多くの可能な宇宙のほんの一例と見なしました. 1922 年、ヨーロッパの主要な科学雑誌 Zeitschrift für Physik に掲載されました。 、フリードマンは、アインシュタインのものよりもはるかにダイナミックな3種類の宇宙論モデルを導き出しました. 2つ目は、無限の大きさのサドルのように描くことができる、負の曲率の開かれた無限の宇宙です。そして最後に:曲率ゼロの宇宙 — 平らな平面 — はますますゆっくりとした速度で膨張し、無限に向かって惰性で進みます.
フリードマンの 1922 年の論文は、マスコミから生まれて死んでしまいました。しかし、アインシュタインは、1 年後にそれを読み始めると、非常に動揺し、急いで反論を書き、フリードマンが数学的な誤りを犯したと主張しました。しかし、フリードマンが彼自身の返答で明らかにしたように、誤算をしたのはアインシュタインでした。アインシュタインは彼の主張を撤回しましたが、フリードマンのような宇宙は数学的構成物または「好奇心」に過ぎず、現実の真の記述では決してないという彼の意見を維持しました.
彼のすべての創意工夫にもかかわらず、それがビッグバンの物語におけるフリードマンの役割が終わった場所でした。 1925 年、彼がレニングラードの主要地球物理観測所の所長になった後、わずか 37 歳だったこの男性は、記録的な気球飛行を行った直後に腸チフスで亡くなりました。しかし、彼のアイデアは不可欠であることが証明されます。彼は「膨張する宇宙」という言葉を導入しただけでなく、宇宙の発展である宇宙論に一般相対性理論を正しく適用した最初の人物であるため、「ビッグバンの父」として知られるに値すると主張する人もいます。
知らず知らずのうちに、同じ年にベルギーの司祭で物理学者のジョルジュ・ルメートルがフリードマンの足跡をたどり始めました。しかし、ルメートルはビッグバンのモデルではありませんでした。まだ。ルメートルが行ったことは、基本的に、アインシュタインの永遠に静的なモデルと進化可能なモデルとの間に橋を架けることでした。彼は、静的なアインシュタインの宇宙を原点に置き、それが時間の経過とともに膨張して平らになると仮定しました。
ルメートルは、科学者がそれ自体が独立した銀河であることに気付く前に、遠方の星雲の天文観測を適度に集めました。これらの観測を使用して、ルメートルは非常に大まかに膨張軌跡をプロットし、与えられた銀河外星雲が遠くにあるほど、距離空間への後退が速くなることを示しました。彼は、これが宇宙の膨張の証拠と見なされる可能性があることを示唆する論文を書きました。
これは急進的でした。しかし、理由は不明のままであるが、彼は事実上、ベルギーのあいまいなジャーナルにフランス語で掲載することで、誰もそれに気付かないことを保証した. 2 年後の 1929 年、アメリカの天文学者エドウィン ハッブルは、さらに多くの銀河が景気後退を示していることを示す見出しをつけました。ハッブル自身は、膨張する宇宙の概念についてかなり保守的でしたが、この考えを支持する宇宙論者が彼の発見を歓迎することを知っていました。
今では、アインシュタインでさえ、彼らを肩をすくめることができませんでした。 1930 年初頭、彼と他の物理学者は英国のアーサー・エディントン卿が運営する王立協会で会合し、ハッブルの新しい測定値と一致する宇宙論モデルに同意しようとしました。数か月後に会議のことを聞いたとき、ルメートルは 1927 年の論文を、ケンブリッジで彼の指導者だったエディントンに再送しました。エディントンはそのことをすべて忘れてしまったことを悔やみ、急いでエッセイを英語に翻訳してもらいました。ここに、ついに、特にアインシュタインのすべてが同意できる拡張モデルがありました。ルメートルの論文は、宇宙の初期条件としてアインシュタインのモデルを取り入れました。
しかし、ルメートルは満足していませんでした。 1931 年までに、彼はアインシュタインの「初期状態」が安定し得ないと信じるようになりました。フリードマンに戻って、彼は彼の原始アトム仮説、本質的にはビッグバン 1.0 を提案しました。これは、宇宙は最初は非常に高密度の核から始まり、外側に拡大したに違いないというものです。 「創造の瞬間に爆発するコズミック・エッグ」と司祭は言いました。
これは、アインシュタイン、エディントン、および他の同僚にとってはやり過ぎでした。彼らは、時間的な起源を持つ宇宙の形而上学的な意味合いを嫌っていました。神がその背後に潜んでいるのを見るのはあまりにも魅力的でした.
ナチズムが世界中の科学者の優先事項を劇的に変えたため、この時点で進歩は行き詰まりました。そして、ルメートルはそれを知らなかったが、フリードマンのように、物語における彼自身の役割は終わった.物理学者にとって、一般相対性理論と宇宙論の研究は、戦争への取り組みと量子力学への関心の高まりにより後回しにされました。ドイツ占領下のベルギーに閉じ込められた (そして連合軍の爆撃をかろうじて生き残った) ルメートルは、コンピューターと天体力学の問題に注意を向けました。
しかし、この時期、ビッグバンのアイデアは、1930 年代にソビエト連邦から逃れてアメリカにやってきたカラフルなウクライナの物理学者、ジョージ ガモウに受け入れられました。マンハッタン計画に取り組むことができず、セキュリティ クリアランスがなかったため、ガモウは別の謎に追われていました。それは、鉄や金など、宇宙のすべてのより重い原子元素の進化をビッグバンがどのように説明できるかということです。
ガモフは、1920 年代初頭にフリードマンの足元で初めて相対性理論を研究しました。米国に着くと、彼は話題に戻り、自分の教え子であるヨーロッパ難民のラルフ A. アルファーとロバート ハーマンを養子に迎えました。彼は 2 人の早熟な物理学者に、ルメートルと同様の宇宙モデルの研究を依頼しましたが、彼らは原始の冷たい原子から始めるのではなく、熱く超高密度の状態を仮定しました。
これだけが、ガモウ、アルファー、ハーマンの推論によると、水素とヘリウムを鉄に「調理」する元素合成を可能にします。このような高温のビッグバン モデルの直接的な結果の 1 つは、現在宇宙マイクロ波背景放射として知られている太古の火の玉からの放射が、非常に減衰した波長ではあるが、依然として宇宙に浸透していることであると彼らは指摘した。 Alpher は、この背景放射に対する温度を約 5 ケルビンと計算しました。
しかし、フリードマンとルメートルのように、1948 年に発表されたガモフ、アルファー、ハーマンの論文は無視されました。おそらく、彼らが仲間に宇宙背景放射を探すように命じなかったことが、それと関係があるのでしょう。もし状況が違っていたら、ガモウは 1950 年代に DNA の発見に触発された後、遺伝学を研究するために宇宙論を離れなかったかもしれません。おそらく、Alpher と Herman は学界を離れて産業界 (それぞれ General Electric と General Motors) に移りませんでした。
理論家と実験者がついに有罪判決を受けたのは 1965 年のことでした。 Robert H. Dicke と P.J.E.プリンストン大学のピーブルズは、ガモウが弟子たちと行った研究を知らなかったが、初期宇宙の火の玉状態からの膨張に基づいて背景放射の詳細を解明した。 Alpher と Herman のように、Dicke と Peebles は、バックグラウンド ノイズが 3 ～ 5 ケルビンであると予測しました。
彼らはそれを自分で測定するために電波探知機を作りましたが、運が良ければ、他の誰かが最初にバックグラウンドノイズに遭遇したことがわかりました.ベル研究所で働いている 2 人の物理学者、アルノ ペンジアスとロバート ウィルソンは、ニュージャージーで放射計を準備していて、その前に信号に出くわしました。 Penzias 氏と Wilson 氏は、彼らが検出した「ノイズ」は、実際のターゲットである遠く離れた星の間の深宇宙からの無線信号を混乱させる地球ベースの干渉であると考えていました。
ケルビン 3 度をわずかに超えるこの「ノイズ」について報告したとき、ディッケとピープルズはすぐにその重要性を認識し、連絡を取りました。 2 つのグループは、それぞれの研究を別々に発表しました。宇宙マイクロ波背景放射であることが判明したものの発見は、ビッグバンの最も強力な証拠であると見なされました。これは、放射に関して言えば、初期宇宙の爆発の反響です。
この画期的な発見は、これらのデュオのいずれかがノーベル賞を受賞することになります。 1978年、その年の物理学賞は…ペンジアスとウィルソンに贈られた。ディッケとピープルズや、発見の基礎を築いた初期の理論家たちではない。ディッケとピープルズは取り残されていると感じました。しかし、アルファーとヘルマンは特に苦々しかった。彼らは、産業界のために学界を離れることは不当に数えられていると感じていました。ルメートルとガモウはどちらも長い間死んでいました。
たとえば、アレクサンダー・フリードマンが 1925 年に 40 歳になる前に亡くなっていなかったとしたら、理論の進歩がどれほど異なっていたかを推測することしかできません。ホットビッグバンモデルはもっと早く？彼らは何年も前に宇宙マイクロ波背景放射を予測できたでしょうか?
確かなことは、科学の最も壮大な理論が予測不可能な障害に悩まされているときでさえ、遅かれ早かれ新しい誰かがトーチを前進させるためにやってくるということです.非常に残念なことに、多くの場合、すべての功績を認められているように見えるのは、フィニッシュラインを越えてそれを運ぶ人です.しかし歴史は、ペンジアスとウィルソンの認識への道のりが他の人の不運に散らばっていたことを示しています.
ジョン・ファレルはの著者です 昨日のない日:ルマイトル、アインシュタイン、そして現代宇宙論の誕生。
見る: ヒッグス ボソンと宇宙論との関係について、プリンストンの物理学者 ポール J. スタインハルト。
先頭の画像は、Ars Electronica/Flickr 経由で CERN から提供されたものです。
