私たちは宇宙で一人でしょうか？ 宇宙は無限ですか？ 少なくとも現時点では科学が明確な答えを出していない、宇宙の最も重要な謎を見てみましょう。
宇宙は古来より人類を魅了してきました。 星、惑星、彗星、その他の現象で満たされた空は、私たちの好奇心と感嘆を呼び起こします。 私たちは、私たちの起源や存在、ブラックホールや暗黒物質の謎にも興味を持っています。 同時に、宇宙には答えのない多くの謎が隠されています。 これらの謎のいくつかについて知っておくことをお勧めします。
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私たちは宇宙で一人でしょうか？
これは人類存在に関する最も古くからある根本的な問題の つです。 地球の外にも生命は存在するのでしょうか？ これらの生命体は知的であり、私たちは彼らとコミュニケーションをとることができるのでしょうか? 生命はどのようなものであり、私たちの惑星の外ではどのように発展するのでしょうか? 他の文明に出会う可能性はどのくらいですか? さまざまな仮説や研究プロジェクトがありますが、これらの質問に対する答えはありません。 たとえば、科学者たちはドレイク方程式に基づいて、私たちの銀河系に存在する可能性のある文明の数を決定しようとしています。 SETI プログラム (地球外知性体の探索) は宇宙からの無線信号を探索します。 しかし、これまでのところ、地球外に生命が存在するという証拠は見つかっていません。 ただし、これは非常にまれであるか、検出するのが非常に困難であることを意味する可能性があります。
宇宙における生命の存在を支持する議論の 100 つは、その巨大なサイズと多様性です。 現在の推定によれば、私たちの銀河には約 100 億個の星が含まれており、現在観察できる宇宙全体には約 10 億個の銀河が存在します。 科学者たちは、天の川銀河には地球サイズの惑星が少なくとも 億個あり、その星のハビタブルゾーン内にあると予測しています。 つまり、水が液体の状態で表面に存在できる距離です。 これらの惑星の中には、私たちの惑星と同様の条件を備えているものもあれば、まったく異なるものの、それでも生命にとって有利な条件を備えているものもあるかもしれません。 地球外生命体は、私たちにとって不利な条件や、地球とはまったく異なる条件に耐えることができる可能性もあります。
宇宙における生命の存在に関するもう一つの議論は、その適応と進化の並外れた能力です。 科学者たちは、生命は約 3,5 億年前に地球上に出現し、それ以来驚くべき進化を遂げ、あらゆる形、大きさ、能力を持つ数百万種の動植物を生み出したと考えています。 地球上の生命は、多くの大変動や気候変動を乗り越え、新たな条件に適応してきました。 これは、温泉、深海盆地、北極の氷河などの極限環境で今でも起こっています。 地球上の生命がこれほど柔軟で回復力があるのなら、なぜ他の場所でも同じであってはいけないのでしょうか?
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ビッグバンの前に何が起こったのでしょうか?
現在有力な宇宙論によると、宇宙は約14億年前にビッグバンの結果として形成されたとされています。 それは、すべての物質とエネルギーが無限の密度と温度の無限微点に集中した瞬間でした。 爆発の結果、宇宙の急速な膨張と冷却が始まり、それは今日まで続いています。 しかし、ビッグバンの前には何が起こったのでしょうか? 別の宇宙は存在したのか？ ビッグバンはユニークな出来事だったのでしょうか、それともサイクルの一部でしたか? 古典物理学ではビッグバン前の宇宙の状態を説明できないため、これらの質問に対する答えはありません。 しかし、量子論に基づいたさまざまな仮説が存在します。
その つは、いわゆる初期特異点仮説です。 ビッグバンの前には時間も空間も物質も何もなかったと仮定しています。 これらすべては、サイズがゼロで密度が無限の点から爆発の瞬間にのみ形成されました。
もう一つの仮説は、いわゆる永遠のインフレーションです。 ビッグバンの前には、増加率で膨張する非常に高エネルギーの量子場があったと考えられています。 この場は不安定で、量子ゆらぎが起こりやすいものでした。 フィールドのさまざまな場所で、より低いエネルギー状態への移行が無秩序に発生し、独自の物理法則で空間の泡を作成しました。 そのような泡はそれぞれ、別の宇宙の始まりになる可能性があります。 私たちの宇宙も、約 14 億年前に形成されたそのような泡の つであると考えられます。
もう一つの仮説は、いわゆるグレートリバウンド仮説です。 ビッグバンの前に、収縮して最小サイズに達した別の宇宙があったと仮定しています。 その後、リバウンドが起こり、膨張の新たな段階が始まり、このような宇宙の収縮と膨張のサイクルは無限に繰り返される可能性があります。 この仮説は、量子力学をアインシュタインの一般相対性理論と調和させようとするループ量子重力理論に基づいています。
ご覧のとおり、ビッグバンの前に何が起こったのかという疑問には簡単な答えはありません。 私たちには決して分からないかもしれませんし、答えを見つけるために時間と空間の概念を変える必要があるかもしれません。 人類はそれが驚くべきものであることをすでに証明していますが。
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生命はどのようにして誕生したのでしょうか？
生命は宇宙の最大の驚異の一つです。 成長、生殖、適応、進化が可能な生物は、無生物から生じました。 しかし、どうしてそうなったのでしょうか？ 最初の細胞はどのようにして単純な有機分子から生じ、地球上のすべての生命体はどのようにしてそれらから進化したのでしょうか? 生命の起源についてはさまざまな理論や仮説がありますが、これらの質問に対する最終的な答えはまだありません。 それらの中には、実験や観察に基づいているものもあれば、フィクションや推測に基づいているものもあります。
理論の つは、いわゆるプライマリーブロス仮説です。 生命は、アミノ酸、ポリペプチド、窒素含有塩基、ヌクレオチドなどの単純な有機分子が存在した初期の地球の海洋で誕生したと考えられています。 これらの化合物は、放電や宇宙線の影響を受けて大気中で合成され、海洋に流入する可能性がある。 そこでは、タンパク質や核酸などのより大きな構造に結合する可能性があります。 時間が経つにつれて、自然選択に基づいて、最初の自己複製システムが出現する可能性があります。
いわゆる粘土仮説は、結晶構造を持つアルミノケイ酸塩鉱物が存在する陸上で生命が誕生したことを示唆しています。 これらの鉱物は、有機分子の生成と組織化のための触媒およびテンプレートとして機能する可能性があります。 タンパク質と核酸の層が粘土の表面に形成され、そこから脂質膜に囲まれた最初の細胞が形成される可能性があります。
もう一つの理論は、いわゆる熱水泉の仮説です。 生命は熱水クレーターの海底で誕生したと考えられており、そこからミネラルと硫黄化合物を豊富に含む熱水が湧き出ます。 このような環境では、単純な有機分子と熱勾配および化学勾配が形成され、生化学反応が促進されます。 外部条件から保護された最初の細胞は、岩の隙間や煙突の微細孔の中で形成された可能性があります。
同様の理論や仮説はたくさんありますが、どれも決定的に証明されていません。 生命の創造に関する問題はまだ未解決です。 それとも、私たちは火星や金星から移住したのでしょうか？ 私たちは暗黒物質か暗黒エネルギーから創造されたのでしょうか?
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暗黒物質と暗黒エネルギーとは何ですか?
天文観測によると、通常の物質（原子、粒子、惑星、星など）は宇宙の質量とエネルギーのわずか約 5% しか占めていません。 残りはいわゆる暗黒物質（約27％）と暗黒エネルギー（約68％）です。 ダークマターは電磁放射を吸収したり反射したりしないため目に見えませんが、他の物体と重力相互作用があり、それがなければ銀河は結合できず、回転の影響でバラバラになってしまいます。 暗黒エネルギーは、宇宙の膨張を加速し、重力に対抗する神秘的な力です。 しかし、暗黒物質と暗黒エネルギーが何であるか、またそれらがどのように形成されたのかは正確にはわかっていません。
私たちが暗黒物質の存在を知っているのは、宇宙に存在する通常の物質、つまり原子やイオンで構成されている物質の量が少なすぎて、私たちが観察している重力相互作用を引き起こすことができないからです。 なぜここで重力について言及するのでしょうか? それは物質の存在の現れだからです。 簡単に言うと、物質は周囲に特定の重力の影響を与えることができる質量を持っています。 星間空間のすべての銀河、星、塵雲、つまり私たちが知っている宇宙のありふれた物質すべてを考慮すると、その量の物質が生み出すことのできるよりも多くの重力相互作用が観察されることになります。 したがって、超過重力を説明する何かが他にあるはずです。
結果があるなら、必ず原因があるはずです。 これは、科学と周囲の世界の観察における絶対に基本的な原則の 0,4 つであり、結論や発見を導き出すのに役立ち、科学を刺激する質問に対する考えられる答えを探す上で最良の道しるべの 1 つです。 暗黒物質が天の川腕の星の回転速度にどのように影響するかを説明する理論のおかげで、私たちは暗黒物質の存在について知っています。 銀河系の私たちの領域には暗黒物質が ～ kg しか存在しないと推定されており、おそらく地球の大きさに匹敵する空間を占めています。
暗黒物質が存在するという仮定は、現在、私たちが観察している銀河の回転異常と銀河団内の銀河の運動の有力な説明になっています。 つまり、銀河の観測によって暗黒物質の存在が証明されるのです。
さて、ダークエネルギーの話に移りましょう。 暗黒物質とは大きく異なります。 その影響は反発的であり、宇宙の加速膨張につながるに違いないことを私たちは知っています。 銀河は距離に比例した速度で互いに遠ざかるため、この加速度は観測によって測定できます。
つまり、繰り返しになりますが、結果があるのですから、必ず原因があるはずです。 現在のあらゆる測定結果は、宇宙がますます速く膨張していることを裏付けています。 これにより、他の科学データと合わせて、暗黒エネルギーの存在を確認し、宇宙におけるその量を推定することが可能になりました。 この反発特性により、ダーク エネルギーは「反重力」とみなすこともできます。
暗黒物質と暗黒エネルギーの違いは何ですか? 名前は似ていますが、ダークマターが通常の物質に関連しているのと同じように、ダークエネルギーを他の既知の種類のエネルギーに関連するものと考えるのは間違いです。 さらに、暗黒物質と暗黒エネルギーは宇宙にまったく異なる影響を与えます。
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タイムトラベルは可能ですか？
タイムトラベルは多くの人の夢であるため、これをテーマにした文学作品や映画が数多く見られます。 しかし、それは物理的に可能でしょうか？ アインシュタインの相対性理論によれば、時間は一定かつ絶対的なものではなく、観測者の速度と重力に依存します。 私たちが速く動くほど、あるいは重力場が強いほど、私たちの時間の経過は遅くなります。 これは、非常に高速に到達するか、非常に巨大な物体に近づくと、未来への旅行が可能であることを意味します。 たとえば、地球周回軌道上の宇宙飛行士の時間の経過は、地表にいる人間の時間の経過よりも少し遅くなります。 ただし、この違いは小さすぎて目に見えません。 未来に旅行できるようにするには、光の速度に近い速度で旅行するか、ブラックホールの近くに行かなければなりません。 ただし、これらのオプションはいずれも当社の技術力を超えています。
過去への旅はさらに複雑で物議をかもしています。 物理法則によって禁止されているため、不可能に思えます。 しかし、いくつかの理論では、いわゆる閉じた時間のような曲線、つまり、時空の経路、同じ点に戻る時間のサイクルの存在を認めています。 このような経路により、私たちは過去に戻ることができるかもしれませんが、ワームホールや回転するブラックホールなど、非常に珍しい条件が必要になります。
理論的には、ブラック ホールは回転することができ、この現象は「回転ブラック ホール」または「カー ブラック ホール」と呼ばれます。 1963 年、アメリカの物理学者ロイ・カーは、軸の周りを回転するブラックホールの数学的モデルを提案しました。
しかし、そのような天体が存在するかどうか、またそれらが安定であるかどうかはわかりません。 さらに、タイムトラベルは多くの論理的矛盾や因果関係の矛盾を生み出します。たとえば、祖父のパラドックス、つまりタイムトラベラーが父親が生まれる前に祖父を殺したらどうなるでしょうか? 科学者の中には、複数の世界の存在や時空の自己再生を示唆することで、これらの矛盾を説明しようとする人もいます。
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平行世界は存在するのでしょうか？
私たちの宇宙はユニークなのでしょうか、それともより大きな構造、いわゆる多元宇宙の一部なのでしょうか? 歴史と物理学が異なる結果をもたらす可能性のある他の宇宙はありますか? これらの世界と交流したり、訪れたりすることはできるのでしょうか? これらは科学者だけでなく、脚本家や映画監督にも関係する疑問です。 並行宇宙の存在については、ひも理論、永遠のインフレーション理論、多元宇宙の量子力学解釈など、いくつかの仮説があります。 しかし、それらはいずれも観察や実験によって確認されていません。
仮説の つは弦理論です。これは、基本的な物理的オブジェクトが点粒子ではなく、 次元空間内で振動する 次元の弦であると仮定します。 ひも理論では、ひもでできた多次元物体である仮説的なブレーン (膜) の存在が認められます。 私たちの宇宙も、高次元に浮遊した同様の脳である可能性があります。 私たちのブレーンから少し離れたところに他のブレーンがある可能性もあります。 つのブレーンが衝突するとビッグバンを引き起こし、新しい宇宙が誕生する可能性がある。
もう一つの仮説は、上で述べた永遠のインフレーションです。 それは非常に高いエネルギーの量子場に関連しており、その量子場は加速度的に拡大しています。
興味深い仮説は、多元宇宙の量子力学による解釈であり、各量子測定が宇宙を多くの可能な結果に分岐させることを示唆しています。 たとえば、水素原子内の電子の位置を測定すると、一定の確率で異なる値が得られます。 このような多元宇宙の解釈は、これらの次元のそれぞれが別の宇宙で実現され、私たちがそれぞれの次元で自分自身を複製していることを示唆しています。 このようにして、細部が異なったり、まったく異なるストーリーを持った無数の並行世界が作成されます。
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ブラックホールの中では何が起こっているのでしょうか？
ブラックホールは、非常に高い密度と重力を持った宇宙物体であり、光さえもそこから逃れることはできません。 それらは、死にかけている星の核の崩壊、またはより小さなブラックホールの合体の結果として形成されます。 すべてのブラックホールの周囲には事象の地平線と呼ばれる境界があり、そこに近づくものは引き返せない地点を示しています。 しかし、事象の地平線の向こうでは何が起こっているのでしょうか？ ブラックホールの中には何があるのでしょうか？ 古典物理学ではブラックホール内部の状態やプロセスを説明できないため、これらの質問に対する答えはありません。 ただし、量子理論または代替理論に基づくさまざまな仮説が可能です。
そのような仮定の つが特異点仮説です。 ブラックホール内のすべての物質とエネルギーは、体積ゼロ、無限の密度、時空湾曲の一点に集中しているという。 そのような瞬間には、既知の物理法則はすべて適用されなくなり、そこで何が起こっているのかわかりません。
プランクのスター仮説は、ブラック ホールの奥深くでは、物質は特異点に圧縮されるのではなく、非常に高い密度と温度の状態に圧縮され、そこでは量子重力の法則 (量子力学と一般相対性理論の組み合わせ) が機能すると予測しています。 この状態では、物質は互いに跳ね返り、プランク長（物理学で可能な最小の長さ）に近い半径を持つ球形の物体を形成する可能性があります。 その値は信じられないほど小さく、原子核のサイズより 20 桁小さいです。 このような天体はホーキング放射 (事象の地平線上の量子ゆらぎ) を放出し、徐々に質量とエネルギーを失い、最終的には爆発してブラック ホールの内容全体を放出します。
もう つのアイデアは、いわゆるグラヴァスター仮説です。 それは、事象の地平線の境界に負の圧力を持つエキゾチック物質の層があり、それがブラックホールの内部が特異点に崩壊するのを防ぐと仮定しています。 この場合、ブラック ホールの内部は密度が一定で温度がゼロの空の空間になります。 このような構造は安定しており、ホーキング放射を放出しません。
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宇宙には終わりがあるのでしょうか？
宇宙は無限であり、制限はありません。これがこの質問に対する最も簡単な答えです。 しかし、これは実際には何を意味するのでしょうか?どうすれば確信できるでしょうか? 考えられるシナリオは つあります。宇宙は境界がなく、有限で閉じています (球体やトーラスのように)、宇宙は有限で開いています (鞍のように)、または宇宙は無限で平坦です。 また、光の速度が有限であることから生じる観測可能な宇宙の限界である事象の地平線の向こうで何が起こるのかもわかりません。
確かにわかっていることから始めましょう。 宇宙が膨張していることは、銀河間の距離が常に増加していることを意味します。 また、宇宙の年齢は約 13,8 億年であり、物質、エネルギー、時間、空間を生じさせた極度の密度と温度の状態であるビッグバンで宇宙が形成されたこともわかっています。
しかし、ビッグバンの前には何が起こったのでしょうか? そして、事象の地平線、つまり光の速度が限られているために何も見ることができない、観測可能な宇宙の限界の向こうには何があるのでしょうか？ 宇宙には終わりや障壁があるのでしょうか？
科学者たちは、その可能性は低いと考えています。 そのような終わりや障壁があるという証拠はありません。 代わりに、最も受け入れられるモデルは、宇宙が均一かつ等方性であり、すべての方向と場所で同じであることを意味するモデルです。 このような宇宙には端も中心もなく、サイズは無限大になる可能性があります。
もちろん、私たちは光より速く移動したり、観測可能な宇宙を超えたりすることはできないため、これを直接テストすることはできません。 しかし、私たちは手の届く範囲にあるものから宇宙全体の性質を推測することができます。 そしてすべての観測結果は、宇宙が大規模に均質であることを示しています。
これは、他の選択肢がないという意味ではありません。 いくつかの代替理論は、宇宙が湾曲しているか、複雑な幾何学的形状をしている可能性を示唆しています。 また、より大きな構造の一部である場合や、複数のコピーや反射が存在する場合もあります。
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光より速く移動する方法はありますか?
超光速運動とは、物質や情報が真空中で光速 (約 300 km/s) よりも速く移動するという仮説上の可能性です。 アインシュタインの相対性理論は、静止質量がゼロの粒子 (光子など) のみが光の速度で移動でき、それより速く移動できるものはないと予測しています。 光速を超える速度を持つ粒子 (タキオン) が存在する可能性についての仮説が立てられましたが、その存在は因果律に違反し、時間のずれを意味します。 科学者たちはこの問題に関してまだ合意に達していません。
しかし、時空の一部の歪んだ領域では、通常の（「歪んでいない」）時空における光よりも短い時間で物質が遠くの場所に到達できる可能性があることが示唆されている。 このような時空の「見かけの」または「有効な」領域は、一般相対性理論によって除外されませんが、それらの物理的な妥当性は現時点では確認されていません。 例としては、アルクビエールのドライブ、クラスニコフ管、ワームホール、量子トンネルなどが挙げられます。
私たちの宇宙に関する知識レベルでは、光よりも速い旅行の結果を予測することは、新しい物理学と実験が必要であるため、予測するのが困難です。 考えられる結果の 4,25 つは、タイムトラベルや因果関係に関連する論理的パラドックスの可能性です。 もう一つの結果は、人間が生きている間に遠くの星や惑星を研究できる可能性であるかもしれない。 たとえば、太陽系の外で最も近い恒星であるプロキシマ ケンタウリは約 4 光年離れています。 光の速度で移動するとわずか 3 年 か月かかりますが、光より速く移動するとさらに短い時間がかかります。
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惑星はどこに消えますか？ 彼らに何が起こっているのでしょうか？
失われた惑星とは、科学的観測に基づいて存在が確認されていない、太陽系内の架空の天体です。 今日、私たちの現在の知識を超えているかもしれない未知の惑星が存在する可能性についての科学的仮定があります。
そのような仮説上の惑星の 2018 つはフェートン、またはオルバースの惑星です。これは火星と木星の軌道の間に存在していた可能性があり、その破壊により小惑星帯 (準惑星ケレスを含む) が形成されたと考えられます。 小惑星帯の質量が、大きな惑星の爆発によって生じたものとしては小さすぎるため、この仮説は現在可能性が低いと考えられています。 年、フロリダ大学の研究者らは、小惑星帯が単一の惑星ではなく、少なくとも～個の惑星サイズの天体の破片から形成されていることを発見した。
もう一つの仮説上の惑星は惑星 V で、ジョン・チェンバースとジャック・リッソによれば、かつては火星と小惑星帯の間に存在していたという。 このような惑星の存在についての仮定は、コンピューター シミュレーションに基づいて行われました。 惑星 V は、約 4 億年前に発生した大爆撃の原因である可能性があり、月や太陽系の他の天体に多数の衝突クレーターが形成されました。
また、プラネット ナイン、プラネット X、ティケなど、海王星を越えた惑星に関するさまざまな仮説があり、遠方の海王星横断天体の軌道に明らかな異常が存在することを説明しようとしています。 しかし、これらの惑星はどれも直接観測されておらず、その存在についてはまだ議論の余地があります。 科学者たちは依然として海王星を越えた火星と木星の間の空間を研究しようとしているが。 もしかしたら、後になって新たな仮説や発見があるかもしれません。
人類にとって、宇宙、地球、そしてそれ自体についての答えを知ることは常に重要でした。 しかし、科学者たちは立ち止まらず答えを見つけようと努力し、宇宙への新しい道を切り開いているにもかかわらず、これまでのところ、私たちの知識は限られています。 なぜなら、どんな質問や謎にも必ず答えがあるからです。 これが人がどのように配置されているか、これが宇宙がどのように配置されているかです。
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