大宇宙

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宇宙とは何ですか？これは非常に負荷の高い質問の1つです。その質問に答えるためにどのような角度をとっても、その質問に何年もかけて答えても、表面をかろうじて引っ掻くことはできません。時間と空間の面で、それは計り知れないほど大きく（そしておそらく無限大でさえ）、人間の基準では信じられないほど古いです。したがって、それを詳細に説明することは記念すべき仕事です。しかし、ここスペースマガジンでは、私たちは挑戦する決意です！

では、宇宙とは何でしょうか？さて、短い答えは、それはすべての存在の合計であるということです。約138億年前に拡大し始め、それ以来拡大し続けているのは、時間、空間、物質、エネルギーの全体です。誰もが宇宙がどれほど広大であるかを完全に確信しているわけではありません。しかし、進行中の研究と研究は私たちに人類の歴史の中で多くのことを教えてくれました。

定義：

「宇宙」という用語は、ラテン語の「universum」に由来しています。これは、ローマの政治家キケロとその後のローマの作家が、世界と宇宙を知っていたときに言及するために使用されていました。これは、地球とそこに住んでいたすべての生き物、月、太陽、当時知られている惑星（水星、金星、火星、木星、土星）と星で構成されていました。

「コスモス」という用語は、しばしば宇宙と交換可能に使用されます。ギリシャ語に由来 コスモス、文字通り「世界」を意味します。存在全体を定義するために一般的に使用される他の単語には、「自然」（ゲルマン語から派生した） 自然な）と英語の「すべて」は、科学用語で見ることができます。つまり、「すべての理論」（TOE）です。

今日、この用語は多くの場合、既知の宇宙に存在するすべてのもの（太陽系、天の川、すべての既知の銀河や上部構造）を指すために使用されます。現代科学、天文学、天体物理学の文脈では、すべての時空、あらゆる形態のエネルギー（つまり、電磁放射と物質）、およびそれらを結びつける物理法則も指します。

宇宙の起源：

現在の科学的コンセンサスは、約138億年前に宇宙が超高物質とエネルギー密度の点から拡大したというものです。ビッグバン理論として知られているこの理論は、宇宙の起源とその進化を説明するための唯一の宇宙論的モデルではありません。たとえば、定常状態理論や振動宇宙理論があります。

ただし、これは最も広く受け入れられ、人気があります。これは、ビッグバン理論だけですべての既知の問題の起源、物理法則、宇宙の大規模構造を説明できるためです。また、宇宙の拡大、宇宙マイクロ波背景の存在、およびその他のさまざまな現象も説明します。

宇宙の現在の状態から遡って、科学者たちは、それが無限密度と有限時間の単一点から始まり、拡大し始めたに違いないと理論化しました。最初の膨張後、理論は、宇宙が十分に冷却されて、原子以下の粒子、およびその後の単純な原子の形成を可能にすることを維持します。これらの原始的な要素の巨大な雲は、後に重力によって合体して星と銀河を形成しました。

これはすべて約138億年前に始まったため、宇宙の時代と考えられています。理論的原理のテスト、粒子加速器と高エネルギー状態を伴う実験、そして深い宇宙を観測した天文学の研究を通じて、科学者たちはビッグバンから始まり、宇宙進化の現在の状態に導いたイベントのタイムラインを構築しました。

ただし、宇宙の最も早い時期–約10から続く^-43 10まで^-11 ビッグバンの数秒後–広範な憶測の対象です。現在のところ物理学の法則は存在し得なかったことを考えると、宇宙がどのように統治されたのかを理解することは困難です。さらに、関与するエネルギーの種類を作成できる実験はまだ始まったばかりです。

それでも、この最初の瞬間に何が起こったかに関しては多くの理論が優勢であり、それらの多くは互換性があります。これらの理論の多くによれば、ビッグバンに続く瞬間は、特異点エポック、インフレエポック、および冷却エポックの次の期間に分類できます。

プランクエポック（またはプランク時代）としても知られる、特異点エポックは、宇宙の最も初期の既知の期間でした。この時、すべての物質は、無限の密度と極度の熱の単一の点に凝縮されました。この期間中、重力の量子効果が物理的相互作用を支配し、他の物理的力が重力に匹敵する力を持っていなかったと考えられています。

このプランクの期間は、ポイント0から約10に及びます。^-43秒、そしてそれはプランク時間でしか測定できないのでそう呼ばれています。極端な熱と物質の密度のために、宇宙の状態は非常に不安定でした。このようにして、それは拡大し、冷え始め、物理学の基本的な力の現れに至りました。約10から^-43 2番目と10^-36、宇宙は転移温度を超え始めました。

宇宙を支配する基本的な力が互いに分離し始めたと信じられているのはここです。これの最初のステップは、強い力と弱い核力および電磁気を説明するゲージ力から分離する重力です。その後、10から^-3610まで^-32ビッグバンの数秒後、宇宙の温度は十分に低かった（10²⁸ K）電磁気と弱い核力も分離することができた。

宇宙の最初の基本的な力の創造により、インフレ時代が始まり、10^-32未知のポイントまでのプランク時間の秒。ほとんどの宇宙論モデルは、この時点で宇宙は高エネルギー密度で均一に満たされ、信じられないほど高い温度と圧力が急速な膨張と冷却を引き起こしたことを示唆しています。

これは10時に始まりました^-37 秒、力の分離のために引き起こされた相転移はまた、宇宙が指数関数的に成長する期間をもたらしました。また、この時期にバリオジェネシスが発生しました。これは、温度が非常に高く、粒子のランダムな動きが相対論的な速度で発生するという架空のイベントを指します。

この結果、あらゆる種類の粒子と反粒子のペアが衝突で継続的に作成および破壊され、現在の宇宙では反物質よりも物質が優勢になったと考えられています。インフレが停止した後、宇宙はクォークグルオンプラズマと他のすべての素粒子で構成されました。この時点から、宇宙は冷え始め、物質が合体して形成されました。

宇宙の密度と温度が低下し続けると、冷却の時代が始まりました。これは、粒子のエネルギーが減少し、物理学と素粒子の基本的な力が現在の形に変化するまで相転移が続くことを特徴としました。粒子のエネルギーは、粒子物理学の実験で得られる値まで低下しているため、この期間以降は推測が少なくなります。

たとえば、科学者は約10^-11 ビッグバンの数秒後、粒子エネルギーはかなり低下しました。 10時くらいに^-6 秒、クォークとグルーオンが結合して陽子や中性子などのバリオンを形成し、反クォークよりもわずかに過剰なクォークが、反バリオンよりもわずかに過剰なバリオンにつながりました。

温度は、新しい陽子-反陽子ペア（または中性子-反中性子ペア）を作成するのに十分な高さではなかったため、質量消滅がすぐに続き、10¹⁰ 元の陽子と中性子の、そしてそれらの反粒子のどれも。同様のプロセスがビッグバンの約1秒後に電子と陽電子で起こった。

これらの消滅後、残りの陽子、中性子、および電子は相対論的に移動しなくなり、宇宙のエネルギー密度は光子によって支配され、ニュートリノはそれほどではありませんでした。拡張の数分後、ビッグバン元素合成として知られる期間も始まりました。

温度が10億ケルビンに低下し、エネルギー密度がほぼ空気と同等に低下したおかげで、中性子と陽子が結合して、宇宙の最初の重水素（水素の安定同位体）とヘリウム原子を形成し始めました。しかし、宇宙の陽子のほとんどは水素原子核として結合されていませんでした。

約379,000年後、電子はこれらの原子核と結合して原子（これも大部分は水素）を形成しましたが、放射線は物質から切り離され、ほとんど妨げられずに空間を通って膨張し続けました。この放射は現在、宇宙で最も古い光である宇宙マイクロ波背景（CMB）を構成するものであることがわかっています。

CMBが拡大するにつれて、密度とエネルギーが徐々に失われ、現在は2.7260±0.0013 K（-270.424°C / -454.763°F）の温度と0.25 eV / cmのエネルギー密度があると推定されています³ （または4.005×10^-14 J / m³; 400〜500フォトン/ cm³）。 CMBは、約138億光年の距離で全方向に見ることができますが、実際の距離の見積もりでは、宇宙の中心から約460億光年のところにあります。

宇宙の進化：

その後の数十億年の間に、宇宙の物質のわずかに密度の高い領域（ほぼ均一に分布されていた）は、重力によって互いに引き付けられ始めました。したがって、それらはさらに高密度に成長し、ガス雲、星、銀河、および今日私たちが定期的に観測している他の天文構造を形成しました。

現代の宇宙が形を取り始めたのはこの時期であったため、これは構造エポックとして知られているものです。これは、さまざまなサイズの構造（つまり、星や惑星から銀河、銀河団、スーパークラスター）に分布し、物質が集中していて、少数の銀河を含む巨大な湾によって隔てられている目に見える物質で構成されていました。

このプロセスの詳細は、宇宙の物質の量と種類によって異なります。コールドダークマター、ウォームダークマター、ホットダークマター、バリオン性物質の4つのタイプが提案されています。ただし、暗黒物質の粒子が光の速度に比べてゆっくりと移動するLambda-Cold Dark Matterモデル（Lambda-CDM）は、利用可能なデータに最もよく適合するため、ビッグバン宇宙論の標準モデルと見なされています。。

このモデルでは、冷たい暗黒物質は宇宙の物質/エネルギーの約23％を占めると推定されていますが、バリオン物質は約4.6％を占めています。ラムダは宇宙定数を指します。宇宙定数は、もともとアルバートアインシュタインによって提唱された理論であり、宇宙における質量エネルギーのバランスが静的なままであることを示しました。

この場合、それは宇宙の膨張を加速し、その大規模構造をほぼ均一に保つのに役立つ暗黒エネルギーと関連しています。暗黒エネルギーの存在は複数の証拠に基づいており、それらはすべて宇宙がそこに浸透していることを示しています。観察に基づいて、宇宙の73％がこのエネルギーで構成されていると推定されています。

宇宙の最も初期の段階で、すべてのバリオン物質が互いにより接近して配置されていたとき、重力が優勢でした。しかし、何十億年にも及ぶ膨張の後、暗黒エネルギーの豊富さが増し、銀河間の相互作用を支配し始めました。これは、宇宙加速エポックとして知られている加速を引き起こしました。

この時期が始まった時期については議論の余地がありますが、ビッグバンからおよそ88億年後（50億年前）に始まったと推定されています。宇宙学者は、量子力学とアインシュタインの一般相対性理論の両方に依存して、この期間中とインフレ時代の後にいつでも起こった宇宙進化の過程を説明します。

科学者たちは、観測とモデリングの厳密なプロセスを通じて、この進化の期間はアインシュタインの場の方程式と一致することを突き止めましたが、暗黒エネルギーの本当の性質は依然として不明です。さらに、10年以前の期間より前に宇宙で何が起こったかを判断できる十分にサポートされたモデルはありません。^-15ビッグバンから数秒。

ただし、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）を使用した進行中の実験は、ビッグバン中に存在していたであろうエネルギー条件を再現しようとしています。これは、標準モデルの領域を超える物理を明らかにすることも期待されています。

この領域の突破は、量子重力の統一理論につながる可能性が高く、科学者は重力が物理学の他の3つの基本的な力（電磁気、弱い核力、強い核力）とどのように相互作用するかを最終的に理解できるようになります。これは、次に、宇宙の初期の時代に本当に起こったことを理解するのにも役立ちます。

宇宙の構造：

宇宙の実際のサイズ、形、および大規模構造は、現在進行中の研究の主題となっています。観測できる宇宙で最も古い光は138億光年離れていますが（CMB）、これは宇宙の実際の範囲ではありません。宇宙は何十億年もの間膨張し続けており、光速を超える速度で、実際の境界は私たちが見ることができる範囲をはるかに超えています。

私たちの現在の宇宙論モデルは、宇宙の直径が約910億光年（280億パーセク）であることを示しています。言い換えれば、観測可能な宇宙は太陽系から外に向かって全方向におよそ460億光年の距離まで伸びています。ただし、宇宙のエッジが観測できないため、宇宙に実際にエッジがあるかどうかはまだはっきりしていません。私たちの知る限り、それは永遠に続きます！

観測可能な宇宙の中で、物質は高度に構造化された方法で分布しています。銀河内では、これは大きな集中-つまり、惑星、星、星雲-からなり、空の領域（つまり、惑星間空間と星間物質）の広い領域が点在しています。

規模が大きくてもほとんど同じで、銀河はガスや塵で満たされた空間で隔てられています。銀河団とスーパークラスターが存在する最大規模では、物質の密なフィラメントと巨大な宇宙ボイドからなる大規模構造のかすかなネットワークがあります。

その形状に関して、時空は、3つの可能な構成（正に湾曲、負に湾曲、フラット）のいずれかで存在する可能性があります。これらの可能性は、時空の少なくとも4つの次元（x座標、y座標、z座標、および時間）の存在に基づいており、宇宙の膨張の性質と、宇宙かどうかに依存します。有限または無限です。

正に湾曲した（または閉じた）宇宙は、空間内で有限であり、識別可能なエッジがない4次元の球体に似ています。負に湾曲した（または開いた）宇宙は、4次元の「サドル」のように見え、空間や時間に境界がありません。

前者のシナリオでは、宇宙はエネルギーの過剰のために拡大を停止する必要があります。後者の場合、エネルギーが少なすぎて拡大を止めることができません。最後の3番目のシナリオ（フラットユニバース）では、臨界量のエネルギーが存在し、その膨張は無限の時間後にのみ停止します。

宇宙の運命：

宇宙に開始点があるという仮説を立てると、可能な終了点についての疑問が自然に生じます。宇宙が膨張し始めた無限密度の小さな点として始まった場合、それはそれが無限に膨張し続けることを意味しますか？それとも、ある日、拡張力がなくなり、すべての問題が小さなボールに戻るまで内側に後退し始めますか？

宇宙のどのモデルが正しいものであるかについての議論が始まって以来、この質問に答えることは宇宙学者の主要な焦点でした。ビッグバン理論の受け入れにより、1990年代に暗黒エネルギーが観測される前に、宇宙論者は2つのシナリオについて私たちの宇宙の最も可能性の高い結果であることに同意するようになりました。

最初のシナリオは、一般に「ビッグクランチ」シナリオとして知られていますが、宇宙は最大サイズに達し、それ自体で崩壊し始めます。これは、宇宙の質量密度が臨界密度より大きい場合にのみ可能です。つまり、物質の密度が特定の値以上である限り（1-3×10^-26 m³あたりの物質のkg）、宇宙は最終的に収縮します。

または、宇宙の密度が臨界密度以下である場合、膨張は遅くなりますが止まることはありません。「ビッグフリーズ」として知られるこのシナリオでは、宇宙は、各銀河内のすべての星間ガスの消費によって最終的に星の形成が止まるまで続きます。一方、既存の星はすべて燃え尽きて、白色矮星、中性子星、ブラックホールになります。

非常に徐々に、これらのブラックホール間の衝突により、質量がますます大きくなるブラックホールに蓄積されます。宇宙の平均温度は絶対零度に近づき、ブラックホールは最後のホーキング放射を放出した後に蒸発します。最後に、宇宙のエントロピーは、組織化された形のエネルギーをそこから抽出できなくなるところまで増加します（「熱死」として知られるシナリオ）。

暗黒エネルギーの存在と宇宙の膨張に対するその影響を含む現代の観測は、現在目に見える宇宙のますます多くが私たちのイベントの地平線（すなわち、CMB、私たちが見ることができるものの端）を超えて通過するという結論を導きました。そして私たちには見えなくなります。これの最終的な結果は現時点では不明ですが、「熱による死」は、このシナリオでもエンドポイントの可能性が高いと考えられています。

ファントムエネルギー理論と呼ばれる暗黒エネルギーの他の説明は、最終的には銀河団、星、惑星、原子、核、そして物質自体が増大し続ける膨張によって引き裂かれることを示唆しています。このシナリオは「ビッグリップ」として知られています。このシナリオでは、宇宙自体の拡大が最終的には取り消されます。

研究の歴史：

厳密に言えば、人間は先史時代から宇宙の本質を熟考し研究してきました。このように、宇宙がどのようになったかについての最初の説明は、本質的に神話であり、ある世代から次の世代に口頭で伝えられました。これらの物語では、世界、空間、時間、そしてすべての生命は、1つまたは複数の神がすべてを創造する責任を負う創造イベントから始まりました。

天文学はまた、古代バビロニア人の時代までに研究分野として浮上し始めました。紀元前2世紀にバビロニアの学者たちによって作成された星座と占星術のカレンダーのシステムは、今後数千年にわたって宇宙の占星術と文化の伝統を伝え続けます。

古典古代によって、物理法則によって指示された宇宙の概念が出現し始めました。ギリシャとインドの学者の間で、創造の説明は本質的に哲学的になり始め、神の代理よりも因果関係を強調し始めました。最も初期の例には、すべてが原始的な形式の物質から生まれたと主張したソクラテス以前の2人の学者、タレスとアナキシマンダーが含まれます。

紀元前5世紀までに、ソクラテス以前の哲学者エンペドクレスは、地球、空気、水、火という4つの要素で構成される宇宙を提案した最初の西洋学者になりました。この哲学は西洋社会で非常に人気があり、同じ時期に出現した金属、木材、水、火、地球の5つの要素からなる中国のシステムに似ていました。

分割できない粒子（原子）で構成される宇宙が提案されたのは、紀元前5世紀/ 4世紀のギリシャの哲学者であるデモクリトスになってからでした。インドの哲学者カナダ（紀元前6世紀または2世紀に住んでいた）は、光と熱は異なる形態の同じ物質であると提案することにより、この哲学をさらに進めました。 5世紀の仏教哲学者ディグナナはこれをさらに推し進め、すべての問題はエネルギーで構成されていると提案しました。

有限の時間という概念は、ユダヤ教、キリスト教、イスラム教など、アブラハムの宗教の重要な特徴でもありました。恐らく、ゾロアスター教の審判の日の概念に触発されて、宇宙には始まりと終わりがあるとの信念は、今日に至るまで宇宙論の西洋の概念を伝えることになるでしょう。

紀元前2世紀から紀元前2世紀の間、天文学と占星術は発展し進化し続けました。ギリシャの天文学者は、惑星の適切な動きと星座の星座の動きを黄道帯を介して監視するだけでなく、太陽、惑星、星が地球の周りを公転する宇宙の地球中心モデルも明確にしました。

これらの伝統は、2世紀の数学および天文学の論文で最もよく説明されています。アルマゲスト、それはギリシャ・エジプトの天文学者クラウディウス・プトレマエウス（別名プトレマイオス）によって書かれた。この論文とそれが支持した宇宙論的モデルは、中世のヨーロッパとイスラムの学者たちによって、これから1000年以上にわたって正典と見なされます。

しかし、科学革命の前（約16世紀から18世紀）でも、地球、惑星、星が太陽の周りを公転する宇宙の太陽中心モデルを提案した天文学者がいました。これらには、サモス島のギリシャの天文学者アリスタルコス（紀元前310年から230年頃）、ヘレニズム時代の天文学者および哲学者セレウキウスセレウキス（紀元前190年から150年）が含まれていました。

中世の間、インド、ペルシャ、アラビアの哲学者や学者たちは古典的な天文学を維持し、拡大しました。プトレマイオスとアリストテレス以外のアイデアを存続させることに加えて、彼らは地球の自転のような革命的なアイデアも提案しました。インドの天文学者アリャバタやペルシャの天文学者アルバサール、アル・シジなどの一部の学者は、ヘリオセントリックユニバースの高度なバージョンですらあります。

16世紀までに、ニコラウスコペルニクスは、理論で残っている数学的問題を解決することによって、太陽中心宇宙の最も完全な概念を提案しました。彼のアイデアは、タイトルが付けられた40ページの原稿で最初に表現されました Commentariolus （「リトルコメンタリー」）、7つの一般的な原則に基づく太陽中心モデルについて説明しました。これらの7つの原則は次のように述べています。

天体はすべて単一の点を中心に回転するわけではありません
地球の中心は月の球体の中心、つまり地球の周りの月の軌道です。すべての球が太陽の周りを回転します。太陽は宇宙の中心近くにあります
地球と太陽の間の距離は、地球と太陽から星までの距離のわずかな割合であるため、視差は星では観察されません
星は動かない–見かけの毎日の動きは地球の毎日の回転によって引き起こされます
地球は太陽の周りの球体の中で移動し、太陽の見かけの年間移動を引き起こします
地球には複数の動きがあります
太陽の周りの地球の軌道運動は、惑星の運動の方向が逆に見えるようにします。

1532年、コペルニクスがマグナムオーパスを完成させたとき、彼のアイデアのより包括的な取り扱いがリリースされました– De Revolutionibus Orbium coelestium （天球の革命について）. その中で、彼は7つの主要な議論を進めましたが、より詳細な形式で、それらをバックアップするための詳細な計算を行いました。迫害と反発の恐れがあるため、この巻は1542年に彼が死ぬまで公開されませんでした。

彼のアイデアは、16/17世紀の数学者、天文学者、発明家のガリレオガリレイによってさらに洗練されます。ガリレオは彼自身が作成した望遠鏡を使用して、月の太陽、木星の記録された観測を行い、宇宙の地球中心モデルの欠陥を示しながら、コペルニクスモデルの内部の一貫性を示しました。

彼の観察は、17世紀初頭を通じていくつかの異なるボリュームで発表されました。月のクレーター表面の彼の観察と木星とその最大の月の彼の観察は彼と一緒に1610年に詳述されました シデレウス・ヌンキウス (星空メッセンジャー）彼の観察が黒点だった間、 太陽の下で観測されたスポットについて (1610).

ガリレオはまた、天の川に関する彼の観察を記録しました 星空メッセンジャー、以前は曖昧であると考えられていました。代わりに、ガリレオは、非常に密集した多数の星が遠くから雲のように見えたが、実際には以前考えられていたよりもはるかに遠くにある星であることに気付きました。

1632年、ガリレオはついに彼の論文で「大論争」に取り組みましたDialogo Sopra I Due Massimi Sistemi Del Mondo (二つの主な世界システムに関する対話）、そこで彼は地動説よりも太陽動説モデルを提唱した。ガリレオの議論は、彼自身の望遠鏡による観察、現代の物理学、および厳密な論理を使用して、アリストテレスおよびプトレマイオスのシステムの根本的な基盤を事実上弱めました。

ヨハネスケプラーは、惑星の楕円軌道の理論を用いてモデルをさらに進化させました。惑星の位置を予測する正確な表と組み合わせて、コペルニクスモデルは効果的に証明されました。 17世紀半ば以降、コペルニクス以外の天文学者はほとんどいなかった。

次の大きな貢献はサーアイザックニュートン（1642/43 – 1727）からでした。彼はケプラーの惑星運動の法則と協力して彼の宇宙重力理論を発展させました。 1687年に、彼は彼の有名な論文を発表しました PhilosophiæNaturalis Principia Mathematica （「自然哲学の数学的原理」）、彼の運動の3つの法則を詳述した。これらの法律は次のように述べています：

慣性参照フレームで表示した場合、オブジェクトは、外力が作用しない限り、静止したままであるか、一定速度で動き続けます。
オブジェクトに加わる外力（F）のベクトルの合計は、質量（m）そのオブジェクトの加速度ベクトル（a）を掛けたオブジェクトの。数学的形式では、これは次のように表されます。F =メートルa
1つのボディが2つ目のボディに力を加えると、2つ目のボディは同時に、大きさが等しく方向が逆の力を第1ボディに加えます。

一緒に、これらの法則は、任意のオブジェクト、オブジェクトに作用する力、および結果として生じる運動の間の関係を記述し、したがって古典力学の基礎を築きました。法律はまた、ニュートンが各惑星の質量を計算し、極での地球の平坦化と赤道でのふくらみを計算し、太陽と月の引力が地球の潮汐をどのように作成するかを許可しました。

彼の微積分学に似た幾何学的分析方法は、空気中の音速（ボイルの法則に基づく）、分点の歳差運動（月への地球への月の引力の結果であることが示されました）を説明し、決定することもできました彗星の軌道。このボリュームは科学に大きな影響を与え、その原理はその後の200年間は規範のままです。

別の主要な発見が1755年に行われたとき、イマヌエルカントが天の川は相互重力によってつながれた星の大規模なコレクションであると提案しました。太陽系のように、この星のコレクションは、太陽系がその中に埋め込まれた状態で、回転して円盤状に平らになります。

天文学者のウィリアムハーシェルは、1785年に実際に天の川の形状を描写しようとしましたが、銀河の大部分がガスと塵で覆い隠されており、その真の形状を隠していることに気付きませんでした。宇宙とそれを統治する法律の研究における次の大きな飛躍は、アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論の発展とともに、20世紀に到来しました。

空間と時間に関するアインシュタインの画期的な理論（単純に E =mc²）ニュートンの力学の法則を（マクスウェルの方程式とローレンツ力の法則によって特徴付けられる）電磁気学の法則で解決しようとした彼の試みの結果の一部でした。結局、アインシュタインは、1905年の論文で特別相対性理論を提案することにより、これら2つの分野間の矛盾を解決します。動く物体の電気力学について“.

基本的に、この理論は、光の速度はすべての慣性参照系で同じであると述べています。これは、移動中の媒体を通過する光がその媒体によって引きずられるという以前に保持されていた合意に違反しました。つまり、光の速度はその速度の合計です。 使って 中程度の速度のその媒体。この理論は、アインシュタインの理論の前に克服できないことが判明した複数の問題につながりました。

特殊相対性理論は、マクスウェルの電気と磁気に関する方程式を力学の法則と一致させただけでなく、他の科学者が使用した無関係な説明を排除することで、数学的な計算を簡素化しました。また、直接観測された光速と一致し、観測された収差を考慮に入れて、媒体の存在を完全に不要にしました。

1907年から1911年の間に、アインシュタインは特殊相対性理論を重力場に適用する方法、つまり一般相対性理論として知られるようになるものを検討し始めました。これは、1911年に「重力が光の伝播に及ぼす影響について「彼は時間は観測者に相対的であり、重力場内の彼らの位置に依存すると予測した。

彼はまた、重力質量は慣性質量と同一であると述べている等価原理として知られているものを進めました。アインシュタインはまた、重力時間膨張の現象を予測しました。重力の塊からさまざまな距離に位置する2人の観測者が2つのイベント間の時間量の違いを知覚します。彼の理論のもう一つの主要な結果は、ブラックホールと拡大する宇宙の存在でした。

アインシュタインが一般相対性理論を発表してから数か月後の1915年、ドイツの物理学者で天文学者のカールシュヴァルツシルトは、点と球形の質量の重力場を表すアインシュタインの場の方程式の解を見つけました。現在シュワルツシルト半径と呼ばれているこのソリューションは、表面からの脱出速度が光の速度に等しくなるように球の質量が非常に圧縮される点を示しています。

1931年、インド系アメリカ人の天体物理学者スブラマニアンチャンドラセカールは、特殊相対性理論を使用して、特定の制限質量を超える電子縮退物質の非回転体がそれ自体で崩壊すると計算しました。 1939年、ロバートオッペンハイマーと他の人々はチャンドラセカールの分析に同意し、所定の制限を超える中性子星はブラックホールに崩壊すると主張しました。

一般相対性理論のもう1つの結果は、宇宙が膨張または収縮の状態にあるという予測でした。 1929年に、エドウィンハッブルは前者が事実であることを確認しました。 At the time, this appeared to disprove Einstein’s theory of a Cosmological Constant, which was a force which “held back gravity” to ensure that the distribution of matter in the Universe remained uniform over time.

To this, Edwin Hubble demonstrated using redshift measurements that galaxies were moving away from the Milky Way. What’s more, he showed that the galaxies that were farther from Earth appeared to be receding faster – a phenomena that would come to be known as Hubble’s Law. Hubble attempted to constrain the value of the expansion factor – which he estimated at 500 km/sec per Megaparsec of space (which has since been revised).

And then in 1931, Georges Lemaitre, a Belgian physicist and Roman Catholic priest, articulated an idea that would give rise to the Big Bang Theory. After confirming independently that the Universe was in a state of expansion, he suggested that the current expansion of the Universe meant that the father back in time one went, the smaller the Universe would be.

In other words, at some point in the past, the entire mass of the Universe would have been concentrated on a single point. These discoveries triggered a debate between physicists throughout the 1920s and 30s, with the majority advocating that the Universe was in a steady state (i.e. the Steady State Theory). In this model, new matter is continuously created as the Universe expands, thus preserving the uniformity and density of matter over time.

After World War II, the debate came to a head between proponents of the Steady State Model and proponents of the Big Bang Theory – which was growing in popularity. Eventually, the observational evidence began to favor the Big Bang over the Steady State, which included the discovery and confirmation of the CMB in 1965. Since that time, astronomers and cosmologists have sought to resolve theoretical problems arising from this model.

In the 1960s, for example, Dark Matter (originally proposed in 1932 by Jan Oort) was proposed as an explanation for the apparent “missing mass” of the Universe. In addition, papers submitted by Stephen Hawking and other physicists showed that singularities were an inevitable initial condition of general relativity and a Big Bang model of cosmology.

In 1981, physicist Alan Guth theorized a period of rapid cosmic expansion (aka. the “Inflation” Epoch) that resolved other theoretical problems. The 1990s also saw the rise of Dark Energy as an attempt to resolve outstanding issues in cosmology. In addition to providing an explanation as to the Universe’s missing mass (along with Dark Matter) it also provided an explanation as to why the Universe is still accelerating, and offered a resolution to Einstein’s Cosmological Constant.

Significant progress has been made in our study of the Universe thanks to advances in telescopes, satellites, and computer simulations. These have allowed astronomers and cosmologists to see farther into the Universe (and hence, farther back in time). This has in turn helped them to gain a better understanding of its true age, and make more precise calculations of its matter-energy density.

The introduction of space telescopes – such as the Cosmic Background Explorer (COBE), the Hubble Space Telescope, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck Observatory – has also been of immeasurable value. These have not only allowed for deeper views of the cosmos, but allowed astronomers to test theoretical models to observations.

For example, in June of 2016, NASA announced findings that indicate that the Universe is expanding even faster than previously thought. Based on new data provided by the Hubble Space Telescope (which was then compared to data from the WMAP and the Planck Observatory) it appeared that the Hubble Constant was 5% to 9% greater than expected.

Next-generation telescopes like the James Webb Space Telescope (JWST) and ground-based telescopes like the Extremely Large Telescope (ELT) are also expected to allow for additional breakthroughs in our understanding of the Universe in the coming years and decades.

Without a doubt, the Universe is beyond the reckoning of our minds. Our best estimates say hat it is unfathomably vast, but for all we know, it could very well extend to infinity. What’s more, its age in almost impossible to contemplate in strictly human terms. In the end, our understanding of it is nothing less than the result of thousands of years of constant and progressive study.

And in spite of that, we’ve only really begun to scratch the surface of the grand enigma that it is the Universe. Perhaps some day we will be able to see to the edge of it (assuming it has one) and be able to resolve the most fundamental questions about how all things in the Universe interact. Until that time, all we can do is measure what we don’t know by what we do, and keep exploring!

To speed you on your way, here is a list of topics we hope you will enjoy and that will answer your questions. Good luck with your exploration!