宇宙で「止まっている物」ってあるのですか？

質問

逆の言い方のほうが良かったかもしれませんが、
なぜ、宇宙の物は全部動いていると決めてあるのですか？

何かを基準に、動き（移動）が存在すると思うので、
基準こそが「動いていない物」だと思いまして、、
ソレが何なのか知りたいな、と思いました。

もしくは、
とにかく全部が全部、動いているんだ。として、
ぶつかって跳ね返ったり、色々、みんな、てんでばらばらに動いていると思うのですが、
運良く？ちょうどうまい具合に動きを殺し合って、止まったままの物もあると思うのです。

表現が下手ですが、
例えば、洗濯機の中に、水とボールを入れて、グルグル回した時、
運良く、全く動かない確立が、ゼロではない（気がする）以上、宇宙の中で止まっている物もあるのでは？と思うのです。
だけど、それは何を基準に？とも思うのです。

回答No.13

maris_stella

基本的な事実というか、誤謬を招きやすい言葉の使い方などを、整理し検討する必要があるでしょう。

「赤方偏移」はすなわちイコール、ドップラー効果ではないし、ドップラー効果の場合も、真空中の光のドップラー効果と、通常の物質媒質における波（例えば、空気を媒質とする「音」）のドップラー効果で、同じに考えてよいのかどうか、吟味する必要があるのです。

「赤方偏移」はすなわちドップラー効果を意味するかというと、間違いです。「赤方偏移」の意味についても、より正しい理解が必要でしょう。ドップラー効果は、赤方偏移が生じる「一つの原因」として考えられるもので、赤方偏移があるから、すなわちドップラー偏移であるとはならないのです。

宇宙の天体観測における赤方偏移については、ドップラー効果によるものと、もう一つ、重力による偏移の二つが代表的に知られています。「赤方偏移」とは、天体からの光が、赤い方向にずれることですが、これは、天体からの放出光のエネルギーが何かの理由で奪われたり、減少した場合に生じます。

ドップラー効果による赤方偏移は、光を放出する天体が、

１）我々の銀河系（または観測者の系）に対し、後退している結果、光のスペクトルが全体的にエネルギー低下となるため起こる場合（この場合、観測系と後退天体のあいだの距離は偏移の程度に関係しません。つまり、もし後退によるなら、後退天体から、わずか１光年しか離れていない位置で観測しても、赤方偏移の値は同一です）。

２）天体から光が出たときは、天体はさほど後退しておらず、従って、偏移もあまりなかったのが、膨大な空間を進んでいるあいだに、観測系が「見かけ上」、段々遠ざかって行き、赤色偏移が、我々の銀河系へと近づくにつれ、段々大きくなった場合。

以上の二つの場合が考えられるのです。膨張宇宙における赤色偏移は、後者の２）の場合であって、（１も含めて）これらを、ドップラー効果と呼べるかどうか疑問があります。

我々の銀河から、２０億光年の距離に観測される銀河Ａからの光を考えます。この場合、我々が見ている２０億光年彼方の銀河Ａは、実は、２０億年前の過去の姿なのです。

現在は２０億光年彼方に見える銀河Ａは、実は現在は、我々の銀河から、極端には、例えば、３０億光年の距離にあるとも言えます（つまり、２０億年のあいだに宇宙膨張により、我々の銀河と、銀河Ａとのあいだの距離２０億光年が、３０億光年に増大したのです）。

２０億年前、銀河Ａを出発したとき、光はすでに、当時の「見かけのＡの後退」で、或る量の赤方偏移を備えていましたが、目的地である我々の銀河が、宇宙の膨張と共に、光からすると、見かけ上、遠ざかって行き、その結果、２０億年の時間のあいだに、赤方偏移が蓄積され、これが、元々の赤方偏移にプラスされたのが、現在観測される２０億光年彼方の銀河（実は、現在は３０億光年彼方にある）から来る光のスペクトルの赤方偏移です。

こうして、観測されている赤方偏移は、１）の要素、プラス２）の要素であるということになります。

宇宙の膨張は、ハッブルの法則から「観測事実」として見出されたものです。ただし、これは、赤方偏移が広義のドップラー効果に起因していると仮定した場合です。重力以外にも、赤方偏移を導く要因が他に何かあるかも知れません。

他方、「理論的」に導かれる宇宙膨張は、一般相対性理論と宇宙原理から理論考察されて来ました。「宇宙原理」とは、宇宙は、大局的には、「一様」かつ「等方」であるという理論仮定です。つまり、宇宙はどこの場所でも、同じような構造で、方向的に偏りがない、という原理前提です。

この場合、参考ＵＲＬの質問で、別の回答者が記しているように、ロバートソン・ウォーカー（Robertson-Walker）計量（線素）で宇宙の状態を方程式記述します。

　　線素　ds^2＝c^2dt^2－[a(t)^2]*{r,θ,φ}

{r,θ,φ} の部分（空間成分）には係数Ｋが入っており、Ｋがゼロより小さい場合は、宇宙の体積は有限で、Ｋがゼロの場合、平坦な無限、Ｋがゼロよりも大きい場合、体積は拡大型の無限になります。

[a(t)^2] の部分をどう考えるかで、色々な種類の理論的な宇宙モデルができます。無論、膨張する宇宙の解もあります。

現在の時点では、どの理論モデルが現実の宇宙に対応するのか良く分かっていません。また、ロバートソン・ウォーカー計量を使った宇宙論モデルが妥当だという証拠もありません。他にどう考えればよいか、非常に難しく理論モデルが構成しにくいというのが実状です。

また、宇宙論においては、「地平線」という概念があります。「粒子的地平線」や「事象の地平線」など、その他にもありますが、現在の話では、「粒子的地平線」が問題になります。

粒子的地平線とは、宇宙が膨張しているとすると、膨張している宇宙内の二点のあいだの離れている速度が、光速を越えた場合、そのような二点のあいだでは、相対性理論では、いかなる粒子も互いに到達しなくなるので、これが「地平線」になるのです。

特殊相対性理論では、光速より速い物質または系は存在しません。しかし、宇宙膨張によって、事実、二つの銀河が互いに、光速よりも速い速度で、あいだの距離を広げて行っているということも、理論的には導かれているのです。

一般相対性理論と宇宙原理を元に、アインシュタイン、ミルン、ド・ジッター、フリードマンなどは、宇宙の理論モデルを考察しました。そのなかには、定常宇宙や膨張宇宙や、振動宇宙などの複数のモデルがありました。

しかし、アインシュタインを初めとして、カルツァなど多数の物理学者が、一般相対性理論を更に拡張して、電磁気力を組み込んだ、幾何学的（テンソル代数による）宇宙理論を構築しようと、１９２０年代前後に試みましたが、現象が複雑すぎて、いずれもうまく行きません。これらの理論は、「統一場理論」と呼ばれましたが、それは、「強い力」「弱い力」の発見により、更に、ゲージ場理論の展開と共に、１９６７年、ワインバーグ・サラムが提唱した統一場理論とは別のものですが、しかし、カルツァ・クラインの理論などは、後の統一場理論の基本的構想の原型になっています。

今日、四つの力を統一的に扱う「大統一場理論」の構想があり、様々な、もはや実験検証のできないような理論が出現しています（超弦理論も、実証検証が不可能に近いです）。

空間とは、「何もない広がり」などということは、現在では考えられていないというか、そのような意味の空間はどこにもないとも言えます。理論的に「物質のない宇宙」のモデルを、ド・ジッターなどが造りましたが、現実には、宇宙には物質があり、その物質の構造や、相互に働く力の理論が、現在のような複雑な理論で考察される状況で、「空間の膨張」とは何のことか、「物体の移動・運動」とは何のことか、反省的に考えれば、あまりにも難しくよく分からないというのが、わたしの述べようとしたことです。

非常に簡単な話でも、宇宙の空間や物質は、基本的な三つの定数いかんによって決まって来ると言うことは、半世紀前から分かっていました。「プランク定数」「光速度」「重力定数」です（他にも、宇宙の状態の決定項はあります）。

これらの定数は、時間と共に変動するものかも知れません。しかし、宇宙膨張によって、それほど変化していないと考えられます。何故なら、プランク定数が大きく変化すると、原子は現在のような構造を維持できなくなり、物質は壊れて、別の様態になるはずだからです。しかし、何十億光年という彼方の銀河から来るスペクトルを調べても、何十億年前にも、現在と同じような原子が存在したことが、その特性としての吸収線や輝線がスペクトルにおいて見出されることで、確認できるのです。

超弦理論は、時間及び空間の最小単位の存在を示しています。比喩的に言えば、空間には、最小単位があり、モザイク構造になっているということです。

空間の膨張で、もしこのモザイク構造自体も大きくなったとすれば、大きさを比較するものが、膨張と共に大きくなっていることになり、そもそも、膨張は観測できません。水素原子の基底状態での半径は一定であるとして、初めて、宇宙空間の膨張は膨張と分かるのです。

銀河の大きさは変化しないのに、そのあいだの空間距離は広がって行く。これが宇宙膨張だとすれば、何らかの意味で、空間のモザイク的な要素が生成されている、増殖していると言うような、イメージ的表現のどこがおかしいのか、という疑問が逆に出てきます。

これ以上、話をしても仕方がないとも思います。とまれ、わたしは以上に述べたようなことを考慮した上で、回答を記しています。

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なお、最後に、調べていると、絶対零度約３度（４度ではなく、３度でした）の宇宙背景輻射は、等方等質に宇宙空間に遍在していると考えられ、この背景輻射が、丁度、運動の基準として考えられた「エーテル」の代用になるということを知りました。

これに従えば、我々の銀河系は、乙女座銀河集団の方向へ、毎秒５００ｋｍほどの速度で進んでいると考えられるようです。つまり、我々の銀河系近傍または内部で、乙女座銀河集団と逆方向に、毎秒５００ｋｍで慣性運動する系は、背景輻射の等方等質空間に対し、相対的に「静止」している、と言えるようです。

（先に、１０００万光年ほどの局所銀河群での静止系を述べましたが、乙女座銀河集団だと、２億光年ほどの空間規模になります。銀河は、乙女座銀河集団に、重力的に引き寄せられているということになります）。