目に見えず、触れることもできない！太陽、月、星が果てしなく動き続けるのは、一体どんな不思議な力が原因なのでしょうか？

ある人が尋ねました。天体や星は火も煙も出さず、回転翼も車軸もありません。では、宇宙でそれらが動いたり変化したりするには、どのような力に頼っているのでしょうか。これは普通の人の好奇心であり、人類が探求を続け、無知から文明へと前進する原動力でもあります。実際、小学校や中学校に入学すれば、この種の質問には答えがあるはずです。

なぜなら、現代物理学はずっと以前からこの疑問に答えを出してきたからです。それは、宇宙全体の天体の継続的な運動を推進する基本的な原動力である重力です。重力は物質の存在の基本的な性質です。質量がある限り、それが塵や原子のように小さいものから、惑星、銀河、銀河団のように大きいものまで、重力は存在します。すべての物質をまとめているのは重力です。

ニュートンによる万有引力の発見は、人類の重力理解における最初の飛躍でした。ニュートンの万有引力の式は、重力 F=GMm/r^2 です。これは、重力の大きさが万有引力定数 G に等しく、重力との相互作用の大きさが 2 つの物体 M と m の積をそれらの間の距離の 2 乗で割ったものであることを意味します。万有引力定数 G は、1789 年にキャベンディッシュが発明したねじり天秤の実験によって検証されました。正確な値は≈6.67*10^-11 (N·m^2/kg^2) です。

これは、2 つの 1 kg の物体の重心が 1 メートル離れている場合の重力です。この万有引力定数を用いて、キャベンディッシュは地球の質量がおよそ 6*10^24kg に等しいと正確に計算し、そのため彼は地球の質量を計測した最初の人物であると世界で考えられています。

万有引力の存在により、すべての物質は互いに引き合い、近づこうとする傾向があり、その結果、宇宙全体が「動き」始めます。物質が互いに引き合う過程において、重力の大きさは距離の二乗に反比例するため、異なる距離にある物質に働く重力は不均一となり、物質が互いに引き合う過程のバランスが崩れ、さまざまな変位や回転が生じ、最終的には物質が互いの周りを回転する傾向が生じます。

星はこのようにして形成されます。星雲の塵は、相互引力の過程で徐々に集まっていきます。不均一な収縮により、粉塵全体が回転します。収縮が強くなるほど、回転が速くなります。角運動量が軸の形成を促進します。遠心力により、収縮する星雲は円盤を形成し、原始惑星系円盤を形成します。最終的に、中心核部分は凝縮して恒星となり、惑星円盤の微惑星は凝縮して惑星となり、残りの残骸は小惑星、彗星、塵となります。

このようにして、銀河は徐々に平らな円盤を形成し、銀河が融合し続けると、最終的には巨大な楕円銀河になります。

アインシュタインの一般相対性理論は重力の性質をさらに分析し、重力の本質は質量による時空の乱れによって引き起こされることを発見しました。質量を持つ物体は、水に石を投げたり、ぴんと張ったベッドシーツの上に鉄球をいくつか置いたりするのと同じように、周囲の空間と時間に乱れを引き起こします。投げられた石や鉄球は水やシーツに圧力をかけ、波紋や凹みを引き起こします。これは時空の渦、あるいは罠です。 2 つの巨大な物体が互いに近づくと、互いの渦または罠に落ち込む傾向があり、相互引力の重力現象を示します。

物体の質量が大きいほど、形成される渦やトラップは大きく深くなります。比較的小さな物体は大きな物体に引き寄せられ、その渦や罠に落ちてしまうようです。

アインシュタインの場の理論とその公式はニュートンの万有引力の理論を否定しなかった。彼らはそれを修正することで精度を高め、水星の歳差運動など天体観測におけるいくつかの説明のつかない現象を解決しただけだった。それは物理学にかかっていた大きな暗雲を払拭し、20世紀最大の科学的発見となった。

天体物理学における継続的な徹底的な発見と研究により、人々は新たな問題を発見してきました。宇宙膨張理論によれば、観測される宇宙現象は重力理論とは異なります。万有引力の法則に基づいて計算すると、銀河団内の可視物質の重力は銀河を引き寄せることが全くできない。銀河の運動の分散によれば、それらはずっと前にバラバラになっているはずですが、まだまとまっています。理由は何ですか？

観測計算により、銀河団を形成する重力の質量は、可視物質の総質量よりもはるかに大きいことが判明しました。したがって、銀河には人間が見ることができない何らかの物質が存在するはずであり、この物質が銀河や銀河団の質量の大部分を占めています。このことから、科学者たちは暗黒物質と暗黒エネルギーの仮説を提唱しました。

約 100 年に及ぶ観測と研究を経て、現在の主流理論では、宇宙の全質量と全エネルギーのうち、観測可能な物質はわずか 5% 程度を占め、観測不可能な質量とエネルギーが全宇宙の 95% を占めると考えられています。星、銀河、星雲の塵などの目に見える物質は宇宙の総質量のわずか4.9%を占め、暗黒物質は26.8%、暗黒エネルギーは68.3%を占めています。

これは、暗黒エネルギーを除いた宇宙の全物質の割合が、光を発する目に見える部分が約15％を占め、光を発しない目に見えない部分が85％を占めることを意味します。これらの目に見えない部分はほとんど電荷を帯びておらず、電磁相互作用に参加しません。つまり、光子と相互作用しないため、まったく観察できませんが、質量があり、天体や銀河の形成と維持に大きな重力の役割を果たしています。

科学者たちは常に暗黒物質が何であるかを解明したいと考えてきました。ニュートリノが発見されたとき、これは暗黒物質かもしれないと考えられました。ニュートリノは光子とほとんど相互作用しないため、無数のニュートリノが地球を含むすべての物質を毎瞬通過しています。毎秒何兆ものニュートリノが人間の体を通過していますが、人間はそれをまったく感じません。

しかし、ニュートリノが非常に多く存在するにもかかわらず、ニュートリノは宇宙の全質量とエネルギーのわずか 0.001% を占めるにすぎません。たとえそれが本当に暗黒物質の一種であったとしても、宇宙の生死を決定する重力の重さに耐えることはできない。科学者たちは、アクシオンやWIMPなど、素粒子モデルに挑戦する一連の候補粒子を考え出すために知恵を絞ってきました。しかし、暗黒物質が正確に何であるかについては、まだ答えが出ていません。

探索は続く。現在の主流理論では、宇宙の過去、現在、未来はすべて暗黒物質と暗黒エネルギーの争いにかかっていると考えられています。暗黒物質の力は重力を通じて既存の宇宙を維持することであり、暗黒エネルギーは推力を通じて宇宙の膨張を継続させることです。宇宙の最終的な行き着く先は、大きな裂け目か大きな崩壊となるでしょう。誰が勝つかによります。

これが、宇宙のさまざまな天体が絶えず動き、風や雲が湧き、変化する主な理由です。しかし根本的に言えば、より原始的な原動力、つまり真空のゼロ点エネルギーが存在します。宇宙誕生前の絶対真空の中にも、膨大なエネルギーが満ち溢れています。これらのエネルギーは量子真空の形でランダムに乱され、仮想粒子対の形で絶えず出現し、互いに消滅します。

しかし、この量子ランダム擾乱は完全に対称的ではありません。一対の仮想粒子が逸れて消滅しない場合、バランスが崩れて特異点が現れます。そこから宇宙が誕生し、空間と時間の始まりとなります。これは量子力学による宇宙の起源の説明です。

量子力学の観点から見ると、微視的な物質は決して静的ではありません。原子、電子、陽子、中性子、クォークなどの素粒子は、常に非常に速い速度で運動しています。例えば、セシウム原子の共鳴周波数は約 92 億 Hz で、これは 1 秒間に 92 億回振動することを意味します。量子運動には、不確実性、波動粒子二重性、量子もつれ、状態の重ね合わせなどの奇妙な現象があります。

これは非常に複雑な話題なので、ここでは詳細には触れません。ここでこれを指摘する目的は、マクロな天体や星が絶えず動いているだけでなく、ミクロな世界のあらゆる原子や素粒子も絶えず動いていることを示すためです。したがって、運動は私たちの宇宙のあらゆるものの基本的な属性です。

ここで特筆すべきことは、地上で肉眼で見る天体や星は、火を吐いたり煙を出したりしているようには見えず、穏やかであることです。あまりにも遠すぎるからです。実際、私たちが目にする星のほとんどは恒星です。これらの星の中心温度は数千万度、あるいは数億度にも達します。それらはすべて火を吐き、煙を出す太陽です。私たちの地球のような惑星でも、津波、地震、火山の噴火は頻繁に発生します。彼らはそれほど穏やかではありません。

私がこう言っても問題が明確になったかどうかは分かりません。議論は大歓迎です。

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