「無限の宇宙がさらに膨張するとはどういうこと？」を専門家がわかりやすく解説

宇宙が無限か有限かは専門家でも意見が分かれるテーマですが、宇宙の観測記録から宇宙が膨張をしているのはほぼ間違いないと考えられています。既に宇宙が無限だとしたら、それがさらに広がるというのはどういうのことなのか、広がる宇宙の外側はどうなっているのかといった疑問に、アメリカ・クイニピアック大学の物理学講師であるニコール・グラヌッチ氏が答えました。

What is the universe expanding into if it’s already infinite?
https://theconversation.com/what-is-the-universe-expanding-into-if-its-already-infinite-239702

◆宇宙の膨張
グラヌッチ氏によると、宇宙が膨張するイメージは、ちょうどマフィン生地が膨らむのと似ているとのこと。生地をオープンに入れて焼くと膨らみ、生地の中に入れたチョコチップやブルーベリーは互いに離れていきます。この時、マフィン生地は宇宙、ブルーベリーは人類が住む天の川銀河、別のブルーベリーは他の銀河というわけです。

膨らむマフィンと宇宙には1つだけ違いがあります。それは、マフィンを焼くと生地はマフィンカップに対して膨らむ、つまり上に向かって大きくなるのに対し、宇宙には上下左右の方向も膨張の基準となる場所もないので、ただそれ自体に対して膨張するということです。

これは「北極のさらに北はどっちの方向か？」というようなもので、物理学と天文学の教授として長年宇宙を研究してきたグラヌッチ氏にも、直感的には理解しがたいとのこと。

宇宙の膨張をイメージするもうひとつの方法は、他の銀河が天の川銀河から遠ざかっていくのを想像することです。天文学者は他の銀河が地球から遠ざかっていくのを観測することで、宇宙が膨張していることを知ることができ、膨張する速度も計算することができます。これにより、膨張する対象がなくても宇宙の膨張をイメージできます。

宇宙はあらゆる方向に向かって膨張しており、重力の影響でこちらに近づいてきているアンドロメダ銀河のような例外を除けば、ほぼすべての銀河は天の川銀河から遠ざかっています。そして、天の川銀河もよそから見れば遠ざかっていく銀河の1つです。

◆膨張する宇宙の外側
物理学者のアレクサンダー・フリードマンは1922年に、宇宙が伸び縮みすることを数学的に証明し、宇宙は静止していて不変だという当時の常識を覆しました。そして、1929年には天文学者のエドウィン・ハッブルが遠方の銀河の観測によって宇宙全体が膨張していることを突き止め、その膨張率を詳しく計算しました。

現行の宇宙論では、宇宙は138億年前のビッグバンに始まり、現在も加速膨張しているとされています。そのことを説明するために、多くの科学者は「膨張ファンネル」と呼ばれる漏斗状の宇宙のイメージ図を使います。

以下の図の左端は宇宙の始まりで、右に向かうごとに時間が進みます。円すいがだんだん広がっているのは、宇宙が膨張していることを表しています。

では、この膨張ファンネルの外側に何があるのかという疑問については、いくつかの説が提唱されています。例えば、宇宙は複数あるというモデルものそのひとつです。

この多元宇宙論は、非常に小さなスケールの世界を記述する量子力学と、宇宙などマクロな世界を支配する重力を統合できてないという、現代の物理学の課題を解決する努力の中で生まれました。

量子の世界で物がどのように振る舞うのかは、確率と量子化、つまり固定化されたエネルギー量に依存します。グラヌッチ氏によると、マクロの世界のエネルギーが、調光ダイヤルで無段階に変化するライトの明かりだとすると、量子化されたエネルギーはオン・オフスイッチのある電灯のようなものだとのこと。

人類が日常的に見るマクロの世界では、物は量子化されておらず、連続的なエネルギー量を持っており、突然現れたり消えたりもしません。しかし、量子レベルで重力を研究しようとすると、重力が量子化されていると仮定しなければならず、それを裏付ける観測データは得られていません。

この2つの理論体系をつなげる方法のひとつが、先述の多元宇宙論です。科学者たちは、この宇宙の他にも宇宙があり、その宇宙の重力がこの宇宙にも影響していると仮定することで、量子力学と重力の矛盾を解決しようとしています。

グラヌッチ氏は、学術系ニュースサイト・The Conversationの子ども向け特集であるCurious Kidsに寄稿したこの記事の締めくくりで、「いずれにせよ、宇宙は膨張し続け、天の川銀河と他のほとんどの銀河の間の距離は時間とともに長くなっていきます」と述べました。