宇宙の果て

Question

一体何があるのですか？
一方で何もないと聞いたこともあります。
何もないとはどういう意味でしょうか。
となると、その境目はどうなのでしょうか？
判り易い説明があれば嬉しいのですが。

Scull · Accepted Answer

我々の宇宙を考えやすく二次元の平面と考えて見ます。

そうしますとこの宇宙は遠くに行くにつれてゆがみ、いつの間にか「戻ってくる」と考えられています。つまり平面と思えるものが球体のように閉じているわけです。地球を考えて見ますと、地面は平面のようですが、ぐるりと回って一周してしまいますよね。同じことです。
この現在考えられている宇宙モデルでは、どこまで行っても一周回ってしまうため「果てはない」となります。「果て」には何もないのではなくて「果て」というものがないのです。当然ですが、境目もありません。地球にも「表面の果てや境目はありません」よね。

「高速以上で宇宙が広がっている」というのも違います。空間を平面として考えたとき、宇宙全体は球で表されます。このときの「宇宙の広がる速度」は「球の直径がどれだけの速度で大きくなるか」ですが、我々が観測する速度は「球の表面に書かれた点と点が、どれだけの速度で遠ざかるか」だけに限定されます。宇宙はとても大きいので、直径が少し大きくなっただけで、表面の点と点はとても速い速度で離れてしまうのです。そのために、あまりに遠くの星からは「光さえ届かない」ということになるのです。

Scull · Answer

宇宙空間自体の速度についてですが、相当遠くであれば「遠ざかる速度は光速以上と考えて差し支えない」ハズです。ただしこれは何度も書きますが「何かが光速以上の速度を出している訳ではなく、時空間自体の広がっている速度を測ると光の速度よりも速くなっている」という事で、観測事実です。

宇宙全体が大きくなっている訳ではない、というのは、宇宙の大きさを測る方法がない(空間自体が広がっていると考えられるため)ので、観測事実とは言えないからということです。とってもヤヤコシイ言い方ではありますが、四次元的に宇宙の外から観測しない限り「宇宙の大きさ」については云々出来ないと思っています。

sekisei · Answer

ごめんなさい、混乱させてしまいました。
地球の表面だけでイメージしていました。
風船だと私たちがその表面に居るイメージがわきにくいかなと思い地球の方が・・・と書いてしまいました。
お礼の欄に書かれたご理解の内容でいいと思います。

ただ、光速以上でと言うところは違っていると思います。
恐らく光速以上で膨張しているとおっしゃったのは風船の例えで言うとその直径の膨張速度の事だと思います。（違ってたらすいません）
この場合風船の直径方向の単位は私たちの空間で言う距離（ｍ）ではないと考えられるからです。
また、私たちはこの４次元宇宙の外から膨張の様子を観測できないという問題もあります。

ただ、宇宙の膨張の程度が判らない訳ではありません。
それがハッブル定数と呼ばれるものです。
http://www.hinocatv.ne.jp/~trance-a/tenmon/section/uchuukouzou/hubble/hubble.html

sekisei · Answer

”宇宙が拡がっている”については既に解答がされている通りで風船の直径が大きくなること（A)と風船上の各点間の距離が広がる（B)意味があると思います。速度の定義が単位時間当たりの移動距離ですのでAの場合はその”速度”は定義からはずれていますし第一測定ができないと思います。

回りくどくてすいません。いずれにしても宇宙（風船、風船よりも地球が膨らんでいく方がイメージが沸きやすいかもしれません）は膨張している（広がっている、宇宙全体の体積も増えている）というイメージでいいと思っています。

数学的な話しは弱いのですが・・
４次元目が時間なのは確かに奇妙な気がしますが、実際には光速度が掛けられて距離の次元と対等にされていたような気がします。
http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/relativity2156.html
親URLにはもっと参考になるページがあります。

apple-man · Answer

＞話はすこしずれてしまうのですが、４次元という概念は
縦、横、高、時間なのでしょうか？

　物理の話で出てくるのは、そのとおりです。
具体的にはアインシュタインという人が
１００年ほどまえに作った相対性理論で
４つ目を時間軸と考えるといいという
結論を出してくれたんで、そのまま引き継がれて
います。
　数学で出てくる次元の話では、まず
こういった空間がある、と仮定、または定義してその
空間の方向として４、５、６・・・次元の話が出てくるので、
時間方向とは限りません。


＞たて・よこ・高さにもう一つ別要素から９０度の線を立てられたらそれが四次元
この説明に納得していましたが、、、
時間という次元は、縦、横、とはまた違ったモノでは
ないのでしょうか。

　そのとおりです。時間という方向が他と何が
違うかと言えば、目で直接見えないという点です。
　人間が縦、横、高さをなぜ直感的に理解
できるかと言えば、見えるからで、物理的に
言えば、その方向からくる光の波、あるいは光子
（光の粒子）を捕らえることができるからです。

　時間軸に沿って飛んでくる光子を捕らえる
ことができたら、それは未来や過去を自由に
見られるということになります。
　
　しかし、光が飛んでこないからといって
そこに何もないとは限りません。宇宙空間も
闇の部分が多いですが、そこにも空間があり
ます。見えなくても存在している空間がある
ということはこの宇宙の闇の存在でなんとなく
分かると思います。空に星が１つもなかったら
直感的には巨大な宇宙空間を認識できる手立ては
ないと思います。
　
　ではなぜ、人間が４つ目の方向に気づいたかと
言えば、力と空間の歪みに関係がるあるのではと
感づいたからなんです。
　小学校でもやる砂鉄の実験ってありますよね。
紙に上に砂鉄をまいて、紙の下に磁石をつけます。
そうすると砂鉄が独特の模様を描きます。
　同じ事を電磁石でやると、磁石の強さを
変化させたときに、砂鉄の模様が変わるんです。
　１８、１９世紀の学者たちは、これを砂鉄が
動いたと考えないで、磁力の強さの変化により
砂鉄が存在している空間の歪、曲がり具合が変化
したのではないかと考えたんです。

　例えば下敷きは、縦と横といった
２次元的広がりしかありませんが、
それを曲げるためには、高さ方向と
いった、曲がるための方向が
もう１つ必要になります。
　
　人間の目で見えている縦、横、高さと
いった３次元が曲がるためには、
４つ目の方向が必要なはずだと
いう認識と、それを表現するための
数学（現在リーマン幾何学と呼ばれています）
は１９世紀にすでにあったんです。

　それを実際の物理現象とうまくつなげて
説明したのが、相対性理論だったんです。

　目で見えないけど、その方向があると
考えて計算するとちゃんと実験結果と
一致するというわけです。これが
時間が４つ目の方向だとする根拠です。


＞２次元の世界の人がさらにもう１本の９０度の線が
到底想像できないように、我々３次元の人間は
さらにもう１本の９０度の線など到底想像できない
と思っているのですが、、、、

　その通りです。４つ目の方向を見た経験が
ないわけですから。

　でも数式では表現できるんです。高校の
数学で内積というのが出てきたと思います。
（このあたり勉強されたことがなかったら
　申し訳ありませんが＜笑＞）

　２つの線（ベクトル）が互いに直行しているというのは、
この内積がゼロだと証明すればいいだけなので、
式の上ではA,B,C,Dの４つの線（ベクトル）が
互いに直行していると式の上では表現できるんです。

　こういった概念の拡張で、計算上は
４つでも５つでも空間に方向（次元）があると
仮定できるので、いろいろな次元の空間を
数学的にはわりと自由に仮定できるんです。

　ただ現状は、そういった形で次元を増やして
計算すると１１次元が最適という結論が出て、
式で表したはいいが、５つ以上の方向は
現実の世界で言うといったい何なのか
まだ分からないという状況なんです。

　５～１１次元の方向とは、これのことだと
証明してくれる、第二のアインシュタインの
登場をみんな期待しているところです。

Scull · Answer

宇宙の膨張速度についてですが、これは少しわかりにくいかもしれませんね。相対性理論によれば「光と重力以外のものが光速以上の速度を出すことはできない」ので、宇宙の「何か」が光速以上で遠ざかっていると考えると誤ってしまいます。

「宇宙の膨張速度」と考えるときには、風船モデル宇宙の「直径」が大きくなる速度、ということになります。これは、我々が直接観測することはできませんが、光速を超えることはないでしょう。
ですが、風船の表面に書かれた点と点、つまり我々の宇宙にある物質・空間は「見かけ上」光速以上の速度で距離が開いていきます。風船の広がる速度、つまり宇宙の膨張速度が光速以下であるのにもかかわらず、です。

「宇宙空間が広がっている=宇宙が大きくなっている」
この認識は間違いではないと思います。ただし、「四次元的に見た場合」に限って、ですね。三次元的に見ると「果て」がありませんので、大きくなっているとは観測できませんから。

apple-man · Answer

宇宙の果てはないかもしれないが、
宇宙の外はありそうだということで
５，６年前からそれを確認する実験が
行われています。

　地球の果ては？ときかれても、
そんなの有りませんというのが
答えと思いますが、地球の外は
ありますよね。

　膜宇宙理論というのですが、
宇宙はもっと巨大な空間の中を
漂っているようなんです。

詳しくお知りになりたければ
昨年出た、別冊日経サイエンス１４９
http://www.nikkei-bookdirect.com/science/item.php?did=51149&tid=6
なんかを見て下さい。


　他の方の回答にも次元という話が
出ていますが、重力を説明するのに
１１次元あると仮定するとうまく計算
できることが分かったんですが、
縦、横、高さ、時間・・・？
と４つまではいいのですが、５つ以上の
方向が確認できないので、宇宙の外側に
１１次元の空間があって、宇宙はそこを
漂うぺらぺらの膜のようなものだろう
と言われているんです。

　ちょうど３次元的な広がりを持つ
空に漂う、主に２次元的な広がりを
持つ雲のようなものというイメージで
いいのだと思います。

　空に雲が沢山あるように、
１１次元の巨大空間には、
我々の住む宇宙以外の、別の
宇宙があるのでは？と考えられて
います。

sekisei · Answer

言葉足らずでかえって判りにくくしてしまいすいません。

Ｎｏ７さん、Ｎｏ８さんが回答していただいたので蛇足になりますが・・。

宇宙の膨張速度・・・語弊がある書き方でした。
正確には地球から１３７億光年より先の宇宙空間は私たちのいる所から光速以上のはやさで遠ざかっているということです。
地球からみて宇宙の各場所は距離に比例して年々遠ざかっています。
（ちょうどゴムひもに等間隔の点をつけ、ゴムひもを引っ張ったようなイメージです）
そのため地球に近い所では光速よりも遅く遠ざかっています。

宇宙の膨張速度と言ってしまうと前回の例えでいう風船の膨張速度になってしまい語弊を生んでしまいました。

imagine · Answer

次が参考になりそうですヨ
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=275494

>人間の脳では想像（創造）出来ないレベルなのでしょうかね。宇宙というものは。

そんなことはないと思います。
いずれわかるときは来ると思います。何年先かはわかりませんが、『死後の世界はどんなの？』とは違うレベルの内容ですから。

>同じような質問に４次元とは何かというのもあります。
>これは３次元に生きている我々には認識できないのでしょうね。

そんなことはないと思います。
縦・横・高さに違う軸を加えれば４次元ですからネ！
「時間軸」でも良いと思います。
これで４次元になりますでしょ！

>１次元でも２次元でも我々のいる３次元でも、はたまた４次元でも「果て」という概念はないという意味でしょうか？

いいえ。違うと思います。
「果て」という概念は【量】を決めたとき初めて発生するものです。
例えば、点（１次元）でも小さい点から大きい点までありますよネ。点の大小で「果て」の場所がきまりますよネ

>光速以上の速さで宇宙が広がっているということでしょうか？

概念としてはその通りだと思います。
説明すると長くなりますので割愛しますが、相対性理論が参考になります。
因みに光より早いとなると過去をこの目で見ることができることが想像できます。超高性能の望遠鏡が必要ですが・・・。例えば３０光年離れた星を地球で見るとその光は３０年前の光ですよネ！

>宇宙モデルの例として風船を上げていただきましたが、我々がいると仮定されているのは風船上（表面）のことですか？

３次元（点＋面＋高さ）の私たちが４次元を考えるのに、便宜的に３次元の私たちを２次元（点＋面）に持っていき例えたのでしょう。

>となると、どうして「果て」がないのでしょうか？周り巡って戻るから、という意味ですか？

先に書いたとおり「果て」という概念は【量】を決めたとき初めて発生するものです。

>>表面の点と点はとても速い速度で離れてしまうのです
>つまり光の速さ以上ということではないのでしょうか？？

光の概念が３次元の概念なのでご指摘の通りの解釈で間違えと言い切れません。４、５、６次元・・・を想定すると光は単に３次元に棲む私たちの擬似絶対ゲージなだけです。やはり相対性理論を語りたくなります・・・。

因みに私の現在の疑問は次です。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1894090

参考URL：http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=275494

sekisei · Answer

現在の宇宙論では宇宙原理を満たすようにたてられていて宇宙には果てがないとされていると思います。
宇宙原理とは地球で成り立つ物理法則は地球以外の遠い遠方の宇宙でも成り立つと言う考え方です。
もし果てがあるとするとそこでは特殊な場所となってしまいこの宇宙原理に矛盾します。

ただ宇宙の果てという言葉の使い方には上記のような理論的な分野以外に観測の分野でも使われているようです。
その場合の果ては望遠鏡（光学・電波）で観測でき得る一番遠方を指します。
今のところこの宇宙の果ては地球から１３７億光年先にあってこれ以上の遠方は私達から観測できません。
これは宇宙の膨張速度が光速を越えてしまいそこより遠方の光が事実上私たちには届かないためです。

現在ある宇宙論のなかでイメージしやすい宇宙のモデルの例は風船だと思います。
この風船上の一点に私たちが居ます、つまり宇宙には果てがないとはこのことです。
そしてこの一点から１３７億光年にあたる円が観測分野で使われる宇宙の果てとなります。
ちなみにこの風船の円周に相当する宇宙の大きさは全くわかっていません。

いずれにしても仮説のレベルで現実の宇宙に果てがないかは判っていません。

宇宙の果て

我々の宇宙を考えやすく二次元の平面と考えて見ます。

宇宙空間自体の速度についてですが、相当遠くであれば「遠ざかる速度は光速以上と考えて差し支えない」ハズです。

ごめんなさい、混乱させてしまいました。

”宇宙が拡がっている”については既に解答がされている通りで風船の直径が大きくなること（A)と風船上の各点間の距離が広がる（B)意味があると思います。

＞話はすこしずれてしまうのですが、４次元という概念は

宇宙の膨張速度についてですが、これは少しわかりにくいかもしれませんね。

宇宙の果てはないかもしれないが、

言葉足らずでかえって判りにくくしてしまいすいません。

次が参考になりそうですヨ

現在の宇宙論では宇宙原理を満たすようにたてられていて宇宙には果てがないとされていると思います。

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