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宇宙で「止まっている物」ってあるのですか？

2004/01/26 23:38

maris_stellaの回答

maris_stella
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2004/01/31 16:41 回答No.11

　＞何かを基準に、動き（移動）が存在すると思うのでこれはその通りで、「運動している」「静止している」ということは、「何かの基準座標系」に対し、運動している、静止している、という意味です。こう言った観点から大きく宇宙物理学的な視点で考えると、「静止している物体・系」は存在するという結論が出てきます。まず、結論を書きます。何故、そうなのか、どういう系がそうなのか以下で説明します。ただ、こういう問題は、先端の物理学・宇宙物理学の理論や観測事実に密接に関連しているので、以下に述べることは、わたしの認識している範囲での物理的な理論においてです。これ以外の考えもまた何かあるのかも知れません。 -------------------- ニュートンの運動の概念は、ニュートンの古典力学が、アインシュタインの特殊及び一般相対性理論において、光速よりもずっと小さな速度の運動系について成り立つ、「近似理論」とされましたが、しかし、「ニュートンの運動の概念」は、現在でも有効です。ニュートンは、物体の運動とは、何か基準となる座標系に対する、時間と共に変化する変位の存在（物体の移動）であるとし、この「基準座標系」として、「絶対空間」とも言える基準を仮定しました。空間には、ニュートンの時代だと、目印など付けることができないのですが、理論的にニュートンは、「空間は固定されている・静止している」という理論前提を立てました。しかし、ニュートンの時代には、すでに、地球が自転していること、月が地球の周りを公転していること、更に、地球と月の連動システムが更に、太陽の周りを公転していることが知られていました。そうだとすると、「静止系」とはどこにあるのか、地球の中心が静止しているとは言えない訳で、では、太陽が静止系で、その中心がこの静止系の原点なのか、というと、ニュートンの力学からすれば、そうではないと言うことになります。地球は太陽の周りを公転し、諸惑星も、ケプラーの法則に従って、太陽の周りを、楕円軌道を描いて公転していることが分かっていました。そしてニュートンの力学からは、このケプラーの法則も正しくないということが出てきます。空間のどこかに原点を置き、静止座標系を仮定して、地球と太陽のあいだの運動を計算すると、地球と太陽は、「共通重心の周りを相互回転している」という解が出てきます。実は、地球と太陽は、このような運動関係にあるので、「地球が太陽の周りを公転している」というのは、厳密には違うのです。太陽が仮に静止しているとすると、地球の見かけの運動は、ケプラーの法則に従う、ほぼ円に近い楕円軌道を公転しているというのが、ニュートンの力学での解です。ニュートンは「絶対空間」を考えましたが、絶対空間における「静止系」つまり、止まっていると系とは、具体的には、どういう系なのか、どの系または天体が、静止していると言えるのか、それは分からない、考えないという理論だったのです（分からないが、天体の運動の問題では、色々と静止系を取ってみて、運動の姿を計算できるという理論です）。 -------------------- アインシュタインの特殊相対性理論そして一般相対性理論は、ニュートンの絶対空間を否定したと一般に表現されますが、厳密には、そうとは言えないのです。ニュートンの運動学では、静止系はあるが、どれが静止系とは言えない。逆に言えば、どの系でも静止系と見做して、運動方程式を立てることが可能だということになります。それに対し、特殊相対性理論では、「静止系と見なせる系」について、条件が付きます。それは、「慣性系が静止系である」と考えられるということです。速度の異なる慣性系は無数にあるので、無数の静止系がある、ということになります。ところが、一般相対性理論になると、「天文学的メゾレベル」で、「静止系」が実際に決まるという結果が出てきます。「天文学的メゾレベル」というのは、例えば、半径５０万光年の空間の規模では、あるいは、１千万光年の空間距離規模では、というような話です。一般に、特殊相対性理論の方が、分かりやすいので、「運動は相対性を持つ」ということを言いますが、一般相対性理論になると、理論の原理前提に「相対性原理」は含まれていますが、「重力と加速度は等価である」という、もう一つの重要な理論原理から、上で述べた、天文学的メゾレベル規模では、「静止系」が決められるという結果が出てきます。分かりやすい話をすると、地球から宇宙船が宇宙空間に出発して、光速近くまで加速し、そのまま飛行を続けて、遙かな星までたどり着き、そこでＵターンで地球へ、また還って来たとします。このとき、特殊相対性理論で考えると、光速に近い速度で運動する系は、相対的に静止している系に対し、時間の進行が遅くなり、その結果、地球では、百年が経過して宇宙船が還って来たとき、宇宙船の乗員たちは、その宇宙旅行に要した時間は、１０年であった、などという時間の間延び現象が起こります。この時間の進行の遅延は、素粒子物理学などでは、普通に観察されていることで、物理学的に妥当です。しかし、この話は、実は、一種の誤魔化しがあります。どういうことかと言えば、このような加速度運動をして、その後、巡航慣性運動をし、また減速し、再度、加速し、というような運動は、特殊相対性理論では、扱えないのです。こういう運動は、一般相対性理論が扱います。何故、特殊相対性理論では扱えないかは、「加速度」が働くからです。単に、特殊相対性理論の「運動相対性」だけを当てはめると、地球に対し、宇宙船が出発し、別の星に向かって飛行して、百年経過して帰って来たと考えることもできますが、逆に、宇宙船は静止していて、地球の方が、宇宙船から遠ざかる運動をし、百年後に、再び、宇宙船のところに帰って来たとも考えられるはずです。この場合、宇宙船のなかでは、百年の時間が経過したが、地球では、１０年しか時間が経過していないとも考えられます。しかし、実際は、そんなことはないのです。やはり、地球で百年の時間の経過、宇宙船では、１０年の時間の経過で、その逆は成り立ちません。地球の方が、宇宙船より圧倒的に大きな天体であるので、こういうことが起こるのか、というと、違います。それは、宇宙空間に、同じ宇宙船を二基置いて、一方の宇宙船は何もせず、乗員が、そこに搭乗しているとし、他方の同じ大きさ、形の宇宙船が、加速度運動をして、旅に出、運動しなかった宇宙船において、百年の時間が経過した後、帰って来たとすると、やはり、運動した宇宙船の時間経過は１０年になるのです。 -------------------- 相対性理論は、「運動の相対性」を原理としますが、以上の話で見ると、加速度運動をするかしないかで、明らかに、違いが出てきていることが分かります。二基の宇宙船のうちで、加速度運動などしなかった一方の方が、「静止している」とも言えます。マッハの思考実験というものは、例えば、人間がバケツを持って、それを振り回し、回転するとします。しかし、もし「運動が相対的」であるなら、人間がバケツを持って回転しているのではなく、バケツを持った人間の周りで、宇宙全体が、回転していると考えても良いのではないか、という疑問です。これは非常に重要な思考実験で、ただ、「この宇宙」では、人間がバケツを持って回転しているのであって、宇宙がバケツを持った人間の周りを回転しているのでは「ない」ということが言えます（そういう逆のことが成り立つ空間も、思考実験上は、「ありえる」のです。ただ、この「宇宙」は、そういう空間ではないのです）。バケツを持って人間が回転するというのは（別にバケツを持たなくとも、そのまま回転しても同じですが）、「加速度運動」なのです。そして、加速度運動があると、「運動」と「静止」のあいだで、何かの「区別が可能」になるのです。それは先に、光速近くに加速する宇宙船の話をしたとき、加速度運動した方の時間が、相対的には、進行が遅くなるのであって、その逆は成り立たないと言ったのと同じ原理なのです。 -------------------- 一般相対性理論においては、「重力」と「加速度」は、本質的に同じものだとされます。これは理論原理で、「等価原理」と言いますが、果たしてこれが正しいのかどうか、不明ですが、現在までの物理学の現象では、加速度や重力が関係する場合、この「等価原理」は妥当であって、矛盾は出てきていない、という観測結果があります。アインシュタインは、特殊相対性理論で、いわば、空間と時間が運動において、独立変数ではないとして、時空（ミンコフスキー時空）の幾何学に、運動学を還元したとも言えるのですが、一般相対性理論では、「重力＝万有引力」という「力」を、加速度と等価だと考え、これを、「空間の歪み」として表現しました。「歪んだ空間」というのは、実際に存在するのかどうか、その検証は、「水星の近日点移動」という観測と、もう一つ、日蝕の際、太陽の表面すれすれのところに見える背後の星が、理論的には、「見えない」はずが観測されるということで、実証されました。二次元的に絵を描いてみると、太陽の丸い円を描いて、地球から太陽の表面に接する線を引くと、この線より太陽側にある星は、光が、もしまっすぐに進むなら、太陽に隠されて見えないはずです。しかし、見えないはずの背後の星が観測できるということは、太陽の表面で、太陽の重力によって空間が歪んでいて、直進するはずの光が、折れ曲がって進んでいるので、見えないはずの星からの光が、地球に届くのです。 -------------------- 話が長くなるので、結論を言いますと、天文学的メゾレベルの規模では、銀河系の重心、または、銀河系、アンドロメダ星雲、三角座過剰星雲、大小マゼラン雲などが構成する、大体、１千万光年ぐらいの空間領域では、これらの星雲や天体の「重心」が、「静止系」と言えるのです。上の「重心」に対し、運動していない天体・物体は、「静止している」と言えます。重力は空間の歪みであるという話から、このことを述べると、銀河系やアンドロメダ星雲などの巨大な質量がある結果、局所的な空間の歪みがあるのです。ある点において、天体または物体が、この「歪み」に対し、加速度運動を行っておらず、かつ、これらの小星雲群の重心に対し、相対的に静止している場合、この物体・天体は、「静止している」と言えます。宇宙は、「ハッブルのスペクトル赤色偏位」や空間の絶対温度４度ほどの等方等質「背景輻射」の存在から、ビッグバンまたはそれに類した何かの宇宙物理学的事態で、「空間膨張」していると考えられます。そして、上で述べた「静止している天体」があるとしても、銀河系を１億光年も離れる空間における、「静止系」は、「この空間近傍の静止系」とはまた異なり、更に、ハッブルの膨張からすれば、１億光年あるいは１０億光年離れた、それぞれの局所空間での静止天体二つが、膨張により、互いの距離が段々開いて行くということは、現在の観測事実と理論からすれば妥当です。 -------------------- しかし、この１０億光年ほど離れた、二つの「静止天体」は、宇宙の膨張と共に、そのあいだの距離が、段々大きくなるのが事実としても、両者は、それぞれにやはり「静止している」のです。そもそも、運動しているとか静止しているというのは何のことかです。運動は、何かの基準に対しての運動である訳で、ニュートンは、どれが空間の基準座標か不明だが、「絶対静止系」を設定（措定）できるとしました。運動とは、「空間を移動する」ことなのです。少なくとも、物理学の力学・運動学ではそうです。十億光年離れた二つの「静止天体」のあいだの距離が開いて行くとしても、この二つの天体は、「空間を移動していない」のです。何が起こっているかというと、膨張により、二つの天体のあいだの空間で、「空間の生成・増殖」とも言えるような事態が起こっているのです。「空間の生成・増殖」とは何のことか、現在の物理学では、よく分かりません。観測事実として、宇宙が膨張しており、「宇宙の観測的地平線」では、それは「光速」となり、更にそれより遠い天体は、「光速以上の速度」で、例えば、銀河系などから離れて行っているのです。一般相対性理論が成立する、または、既存の物理学理論の空間では、「光速を越える速度」は空間には存在しないのですが、それが存在するというのは、膨張宇宙の「膨張」は、観測事実で確認されているだけで、それを説明する理論は、いまだ未完成だということです。少なくとも、これは強調せねばならないのですが、ハッブル膨張による、離れた銀河のあいだの「距離の開き」は、普通の空間での、「運動による移動」とは、全然異なった原理によるというものです。もし、通常の空間での「運動・移動」と同じものである場合、「超光速」はあり得ないのです。しかし、膨張の理論では、遠くの銀河は、光速に近い速度で、離れて行っており、もっと向こうの銀河は、光速で、更に、光速を越えた速度で、離れて行っているというものですから、ここでは、従来の一般相対性理論も、運動学も成立しません（もう一度繰り返して言うと、もし「移動運動」によるものなら、超光速はありえないのです）。（「空間の生成・増殖」などは、聞いたことがないかも知れませんが、分かりやすく説明すると、こういう表現になります。このあたりは良く分からないのであり、ただ、通常の空間での「移動・運動」とは、宇宙膨張は違う面があるのだということです）。＞参考＞No.228574 質問：永久に会えない星たち＞http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=228574 ＞参考＞No.230634 質問：時間の物理について＞http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=230634 ＞参考＞No.278394 質問：宇宙の膨張の根拠は何？＞http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=278394 　

参考URL：: http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=228574,http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=278394

質問者

お礼 2004/01/31 22:55

ありがとうございます最高の解答ありがとうございます！何度も読み直し、よーく噛み砕き吸収しました。完全に納得できました。大満足です。もしや、プロのかたですか？（失礼にあたりましたら、お詫びします。）感動のあまり、盛り上がってしまいました。私にとって、一番のポイントは、 >---十億光年離れた二つの「静止天体」のあいだの距離が開いて行くとしても、この二つの天体は、「空間を移動していない」のです。何が起こっているかというと、膨張により、二つの天体のあいだの空間で、「空間の生成・増殖」とも言えるような事態が起こっているのです。---< 上記の部分でした。余談になり、話も逸れますが、今回の議題を元に、私達のいる「ビッグバンから始まった宇宙」って、すごい空間ですねー別のビッグバンから始まった別の宇宙もあるんでしょうかねぇ。。。そんな「ビッグバンから始まった空間」が、いくつもあるとすれば、それらを抱えてる「空間」ってすごいですね。ものすごく少しずつですが、宇宙の事が解明されていく方向にあることが嬉しいです。私にとって、とても楽しい話題です。いつの日か「全部」が解明される日まで生きていれたら良いなあと思います。