観測限界宇宙

質問

勉強不足で申しわけありません。以下よろしくお願いします。

観測限界域付近の赤方偏移は　一般相対論的なドップラー偏移の表現で説明されてる　のが正しいとされているようです。特殊相対論的ドップラー偏移表現が間違いであるのは　時空間が慣性系ではない　ということのようです。

　(1)慣性系かどうか観測値から　いかにして見分けるのでしょうか
　(2)超光速世界では　因果律は破綻しているのでしょうか
　(3)宇宙開闢から約４０万年後に現在の星雲構造が出来たと説明されて
　　　います。その粒子的地平線の外の仮定は　空間は有限のよう
　　　に思われるのですが　それとも無限もあるのでしょうか。　この外の
　　　仮定（物質、時空間）は　一般相対論に影響を与えるのでしょうか。

　　　　以上

回答No.2

noname#175206

>(1)慣性系かどうか観測値から　いかにして見分けるのでしょうか

　基本的にできません。慣性系での固有速度との区別がつかないのです。
　多数の恒星や銀河を観測したうえで、ようやく距離とドップラー効果に比例関係があると分かり、そんな地球を中心として、距離に比例した速度で離れるような固有速度は偶然としてもあり得ないので、空間が膨張しているとされたわけです。

　もちろん個々に固有速度はあり、たとえばアンドロメダ銀河は、我々の銀河に対して、遠ざかるどころか、遠い将来には衝突するように近づいてきています。

>(2)超光速世界では　因果律は破綻しているのでしょうか

　破たんしていません。我々の立場からの空間膨張による超光速世界、そこからの立場であれば、我々が超光速世界です。我々の世界に破たんはありません。我々から見て超光速の世界にも破たんはありません。

　たとえばブラックホールの事象の地平面の向こう側は行ったきりになり、そこを超えたら戻って来ることはできません。そこも超光速の世界です。そもそも、そこを超えるのに、外の我々の時間で無限大の時間が経過せねばなりませんが。

　もしブラックホールの中と行き来できると、物理学的にはまずいことが起こります。超光速があれば発生してしまう、過去へ戻る（いわゆるタイムパラドクスを起こします）とかの予想できることだけでなく、何が起こってもおかしくないという物理学では何も言えなくなるようなことも起こります（これは中心が密度「無限大」であるため）。

　ブラックホールは、そういうことが起こる領域を事象の地平面で、こちらの世界と隔絶されていますので、ブラックホールがあっても、この宇宙に矛盾を引き起こすことはありません。

　空間膨張による超光速世界も、平坦で静的な空間を前提とする特殊相対論で直接は扱えないとはいえ、やはり超光速に由来するものがあります。もし、超光速世界とこちらとでやり取りができると、問題が起きます。
　これは、超光速世界に基づく問題と言うより、そことやり取りできるということが、即ち、特殊相対論での超光速を含むことになるからです。これは、未来からの通信を受け取るとか、やはりタイムパラドクス等といった矛盾を起こします。

>(3)宇宙開闢から約４０万年後に現在の星雲構造が出来たと説明されています。その粒子的地平線の外の仮定は　空間は有限のように思われるのですが　それとも無限もあるのでしょうか。この外の仮定（物質、時空間）は　一般相対論に影響を与えるのでしょうか。

　一点から広がったという表現をされることから、3次元空間的に、点が膨張して球になって大きくなって行くようなイメージを持たれてしまうことがありますが、これはある意味正しくて、別な意味間違いです。

　宇宙開闢から、この世界は3次元空間（と1次元時間の4次元時空）です。点から始まったと言う表現は、もっと高次元空間から、この宇宙の誕生を見てみたということなんですね。

　以前は、この宇宙は閉じた宇宙だろうと思われていました。
　これを、3次元空間から見た2次元平面の宇宙ということでモデル化してみると、点が球面となって大きくなって行くということです。
　面積は有限ですが、果てはありません。もし光速度ということを無視すれば、真っ直ぐ行けば、元の位置に帰ってきます。
　3次元空間であれば、体積有限で果ては無く、やはり光速度を無視して真っ直ぐ行けば、元の位置に戻ってきます。

　現在は、開いていて平らな宇宙だと言われています。
　これを同じく2次元でモデル化すると、最初から無限に広がる平面として生まれ、それが均等に伸びて行くといった感じです。面積は最初から無限大で、もちろん果てはありません。
　3次元空間でいえば、最初から体積無限大です。光速度を無視して、どんな速いスピードで突き進んだとしても、どこまでも同じような宇宙です。観測からは、このような宇宙になっていると言えるのは地球から半径470億光年以内ですが、その外では様子が異なっていると考えるべき、積極的な理由はありません。

　粒子的地平線は、ようは膨張速度が光速度になるところです。これが現在は半径137億光年と言われています。そこより遠くで、一般相対論を含む物理学理論が異なると考えるべき理由は、特にありません。おそらく同じでしょう。

　ただ、物理学者の方々は、研究においては理論は遠くでも変わらないとして研究はしても、人類が知っている物理学は地球のごく近くでしか確かめたことしかないから、もしかすると遠くでは違っているかもしれない、と考えていたりするようです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

（１）赤方偏移を特殊相対論ドップラーで読み取るとして　ハッブルのV＝H・D比例関係からDが大になるに従い　ズレが生じるとは思います。ズレたとしても別の説明があってもいいではないかという疑問です。　ハッブルの法則が唯一のものであることが　実証されない限り　今のところ　観測値とよく合う理論の一つとしてみていいのではないか、という質問でした。ご指摘のように　宇宙は地球中心の固有速度になっているとする確率はは相当に低いものでしょう。もし　ハッブルが正しいのなら　もっと深いところに　本質理由があるとおもうのです。解るのは宇宙の創造が解明されたときかも知れませんが。

　（２）フリードマン宇宙方程式とハッブル法則の合理的理解によりますと　ビッグバン以来137億年間膨張している。137億年前のビッグバンの光は137億光年経て観測限界として現在に至る。ただ　ビッグバン直後の粒子は460億光年（粒子水平線）の先まで膨張しており膨張速度は光速の３倍とされており、光速後退位置は137億光年の径位置（観測可能な宇宙のはて）と説明されます。すると137億光年～460億光年の間の粒子と137億光年以内の粒子との間の超光速間の因果律はない　というか物理学的関係はない　と思うのです。しかるに　赤方偏移Z＝１０近くの複数の超光速後退の星雲が観測されているようなのです。137億光年～460億光年の間の星雲ということのようです。因果律は無視されていいはずのところの観測であります。あるいは　超光速の460億光年先の背景放射３K観測において北極天と南極天の放射が同じ値を示すことが観測されています。これらは　超光速であっても　ある条件下では物理学的に無関係ではなく関係がある　ということのように思われるのです。ある説明によりますとビッグバン直前、因果律が成り立っていたものが　ビッグバン・インフレーションにより　お互いの因果律は無視の状態になったが　昔の因果律痕跡は観測できる　というものです。因果律は　物理学の基本であります。釈然としなく　もう少し宇宙と因果律の関係を知りたいと思ったのです。

　（３）４６０億光年までは　何かこの宇宙に関係しているとして　その外はまったく　因果関係のない世界とします。物理学的にはその外は　この宇宙に何ら影響は与えないのです。有限であろうと無限の何かであろうと。すると　宇宙の大きさは　４６０億光年として　問題なのでしょうか　ということです。物理学の扱う限界という意味です。