時間の簡単な歴史

概要

この本の中で、ホーキング博士は物理学における多くの理論について語っています。物理学の歴史、重力、宇宙での光の動き、時空、素粒子（宇宙のものを構成する非常に小さな物体）、ブラックホール、ビッグバン（宇宙は一点から始まったという理論）、タイムトラベル（過去や未来に移動できるという考え）などです。

この本の最初の部分で、ホーキングは物理学の歴史について語る。アリストテレスやプトレマイオスのような哲学者の考えについて話しています。アリストテレスは、当時の他の多くの人々とは異なり、地球は丸いと考えていました。また、太陽や星は地球の周りを回っていると考えていました。プトレマイオスもまた、太陽や星が宇宙の中でどのように位置するかを考えていた。彼は、アリストテレスの考えを記述した惑星模型を作りました。現在では、地球が太陽の周りを回るという、逆のことが知られています。星や太陽の位置に関するアリストテレス／プトレマイオスの考え方は、1609年に反証された。地球が太陽の周りを回るという考えを最初に考えたのは、ニコラス・コペルニクスです。コペルニクスの考えが正しいことを証明したのは、ガリレオ・ガリレイとヨハネス・ケプラーという二人の科学者です。彼らは、いくつかの惑星の月が空でどのように動くかを調べ、それを使ってコペルニクスの考えが正しいことを証明したのです。アイザック・ニュートンも重力に関する本を書き、コペルニクスの考えが正しいことを証明するのに役立てました。

空間と時間

ホーキング博士は、太陽の周りを回る惑星の動きや、惑星と太陽の間で働く重力の仕組みについて説明しています。また、「絶対安静」と「絶対位置」という考え方についても語っています。これらの考え方は、ある期間、事象がその場に留まるという考え方のことです。これは、ニュートンの重力の法則によって真実でないことがわかったのです。絶対安静の考え方は、物体が非常に速く（光速、つまり光の速さで）動くときには通用しなかったのです。

光の速度は、1676年にデンマークの天文学者オーレ・クリステンセン・ローマーによって初めて測定された。光の速度は非常に速いが、有限の速度であることがわかった。しかし、科学者たちは、光が常に同じ速度で移動していると言おうとしたときに、問題があることに気づきました。科学者たちは、エーテルという新しい考えを作り、光の速度を説明しようとしたのです。

アインシュタインは、絶対時間（常に同じである時間）という別の考えを捨てれば、エーテルという考え方は必要ないと言った。アインシュタインの考えは、アンリ・ポアンカールの考えと同じでもありました。アインシュタインの考えは、相対性理論と呼ばれている。

ホーキング博士は、光についても語っています。彼は、事象は光円錐で表現できると言っています。光円錐の頂点は、その出来事からの光がどこに向かうかを示しています。下は、光が過去にどこにあったかを示しています。光円錐の中心がその事象です。光円錐の他に、ホーキング博士は光がどのように曲がるかについても話しています。光は、星のような大きな塊を通り過ぎると、その塊に向かってわずかに向きを変えます。

光について語った後、ホーキング博士はアインシュタインの相対性理論における時間について語る。アインシュタインの理論では、巨大な質量の近くにあるものは、時間の流れが遅くなることが予測されています。しかし、質量から遠く離れると、時間の流れは速くなる。ホーキング博士は、自分の考えを説明するために、2人の双子が別々の場所に住んでいるというアイデアを使いました。双子の一人が山に住み、もう一人が海の近くに住むとしたら、山に住んだ双子の方が海に住んだ双子より少し年をとっているはずだ。

膨張する宇宙

ホーキング博士が語る「膨張する宇宙」。宇宙は時間とともに大きくなっているのです。その考えを説明するために彼が使っているものの1つが、ドップラーシフトです。ドップラーシフトは、何かが他の物体に近づいたり遠ざかったりするときに起こります。ドップラーシフトには、赤方偏移と青方偏移という2種類のものがあります。赤方偏移は、何かが遠ざかっていくときに起こります。これは、私たちに届く可視光の波長が長くなり、周波数が低くなることで、可視光が電磁スペクトルの赤・近赤の端にシフトするために起こります。赤方偏移は、光の波長が長くなり、惑星や銀河が遠ざかるにつれて引き伸ばされるように宇宙が膨張しているという考えと結びついており、音波のドップラー効果と共通するところがあります。赤方偏移の逆で、波長が短くなり周波数が高くなり、青方偏移になります。エドウィン・ハッブルという科学者は、多くの星が赤方偏移し、我々から遠ざかっていくことを発見しました。ホーキング博士は、ドップラーシフトを使って、宇宙が大きくなっていることを説明しています。宇宙の始まりは、ビッグバンと呼ばれるものによって起こったと考えられています。ビッグバンとは、宇宙を創り出した非常に大きな爆発のことです。

不確定性原理

不確定性原理とは、粒子の速度と位置は同時に求められないというものです。粒子がどこにあるかを知るために、科学者は粒子に光を当てます。もし、高い周波数の光を使えば、位置はより正確にわかりますが、粒子の速度はわかりません（光によって粒子の速度が変わるからです）。もし、低い周波数の光を使えば、光はより正確に速度を求めることができるが、粒子の位置はわからなくなる。不確定性原理は、決定論的な理論、つまり将来のすべてを予測するような理論を否定するものであった。

この章では、光がどのように振る舞うかについても詳しく説明します。光は波であるにもかかわらず、粒子のように振る舞うという説があり、そのひとつがプランクの量子仮説です。また、光の波も粒子のように振る舞うという説もあり、これを唱えたのがハイゼンベルグの不確定性原理です。

光の波には、頂上と谷があります。波の一番高いところがクレストで、一番低いところがトラフです。この波が2つ以上あると干渉することがあります。クレストとトラフが一直線に並ぶのです。これを光の干渉といいます。光の波が互いに干渉すると、これによって多くの色を作ることができます。この例として、シャボン玉の色があります。

素粒子と自然界の力

クォークは、私たちが目にするものすべて（物質）を構成しているとても小さなものです。クォークには、アップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォーク、チャームドクォーク、ボトムクォーク、トップクォークの6種類の「フレーバー」がある。また、クォークには赤、緑、青の3つの「色」がある。また、通常のクォークの反対である反クォークも存在する。通常のクォークと反クォークは、全部で18種類ある。クォークは、宇宙のすべての物質を構成する最小のものであるため、「物質の構成要素」と呼ばれている。

すべての素粒子（例えば、クォーク）には、スピンと呼ばれるものがあります。粒子のスピンは、その粒子がさまざまな方向からどのように見えるかを示しています。例えば、スピン0の粒子はどの方向から見ても同じに見える。スピン1の粒子は、360度完全に回転させない限り、どの方向から見ても違うものに見える。ホーキング博士は、スピン1の粒子を矢印で表現している。スピン2の粒子は、半分（または180度）回さないと同じに見えない。この本で示されている例は、双頭の矢印のものである。宇宙には、スピンが1/2の粒子と、スピンが0、1、2の粒子の2つのグループがあります。これらの粒子はすべてパウリの排他律に従っている。パウリの排他原理とは、粒子が同じ場所にあったり、同じ速度を持つことはありえないというものです。もしパウリの排他原理が存在しなければ、宇宙のすべてが同じように見え、ほぼ均一で高密度の「スープ」のように見えるだろう。

0、1、2のスピンを持つ粒子は、ある粒子から別の粒子へ力を移動させる。このような粒子の例として、仮想重力子や仮想光子がある。仮想重力子はスピン2であり、重力の力を表現しています。つまり、重力が2つのものに影響を与えるとき、重力子は2つのものの間を行き来します。仮想光子はスピンが1で、電磁気力（原子をつなぎとめる力）を表します。

重力と電磁力のほかに、弱い核力と強い核力があります。弱い核力は、放射能を引き起こす力、つまり物質がエネルギーを放出するときに働く力です。弱い核力は、スピンが1/2の粒子に働きます。強い核力は、中性子と陽子のクォークを結合させ、原子の中の陽子と中性子を結合させる力である。強い核力を担う粒子は、グルーオンと考えられています。グルーオンはスピンが1の粒子で、クォークを束ねて陽子と中性子を形成しています。しかし、グルーオンは3色のクォークしかつなぎ合わせることができません。そのため、最終的な生成物には色がつきません。これを「閉じ込め」と呼びます。

電磁気力、弱い核力、強い核力を統合した理論を作ろうとする科学者がいます。この理論は大統一理論（またはGUT）と呼ばれています。この理論は、これらの力を一つの大きな統一的な方法、理論で説明しようとするものです。

ブラックホール

ブラックホールとは、星が崩壊して非常に小さな一点になったものです。この特異点は時空を高速で回転する点であり、これがブラックホールには時間がない理由である。ブラックホールは重力が非常に強いので、その中心に物を吸い込みます。ブラックホールが吸い込むものは、光と星です。ブラックホールになるのは、超巨星と呼ばれる非常に大きな星だけです。ブラックホールになるには、太陽の質量の1.5倍以上の星でなければなりません。この数字を「チャンドラセカール限界」といいます。もし星の質量がチャンドラセカール限界より小さいと、ブラックホールにはならず、別の小さなタイプの星に変わります。ブラックホールの境界は「事象の地平線」と呼ばれます。事象の地平線に何かがあると、それは決してブラックホールから出ることはできません。

ブラックホールには、さまざまな形があります。あるブラックホールは、球のように完全な球形をしています。また、真ん中が膨らんでいるブラックホールもあります。ブラックホールは、回転しなければ球形になります。回転していると、真ん中が膨らみます。

ブラックホールは光を出さないので、見つけるのが難しい。しかし、ブラックホールが他の星を吸い込むと、その星を発見することができます。ブラックホールが他の星を吸い込むと、ブラックホールはX線を放出し、それは望遠鏡で見ることができます。ホーキング博士は、別の科学者であるキップ・ソーンとの賭けについて話しています。ホーキング博士は、ブラックホールに関する自分の研究を無駄にしたくないという思いから、ブラックホールは存在しないと賭けたのです。彼はこの賭けに負けました。

ホーキング博士は、ブラックホールの事象の地平面は大きくなるばかりで、小さくなることはないことに気づきました。ブラックホールの事象の地平線の面積は、何かがブラックホールに落ち込むたびに大きくなるのです。さらに、2つのブラックホールが合体したとき、新しい事象の地平線の大きさは、他の2つのブラックホールの事象の地平線の合計以上であることにも気づいた。つまり、ブラックホールの事象の地平面は、決して小さくなることはないのだ。

無秩序は、エントロピーとも呼ばれ、ブラックホールと関係があります。エントロピーに関係する科学的法則がある。この法則は「熱力学第二法則」と呼ばれ、孤立した系（例えば宇宙）ではエントロピー（無秩序）は必ず増大するというものです。ブラックホールのエントロピー量と事象の地平線の大きさの関係は、研究生（ジェイコブ・ベッケンシュタイン）が最初に考え、ホーキング博士が証明したもので、彼の計算では、ブラックホールは放射線を出していることになります。ブラックホールの事象の地平面からは何も逃げ出さないということが既に言われていたのに、これは不思議なことである。

この問題を解決したのは、「仮想粒子」のペアを考えたときであった。仮想粒子のペアは、一方がブラックホールに落ち、もう一方が脱出する。そうすると、ブラックホールが粒子を出しているように見える。最初は不思議に思ったが、しばらくすると多くの人がこのアイデアを受け入れてくれた。

宇宙の起源と運命

多くの科学者は、宇宙はビッグバンと呼ばれる爆発で始まったと信じている。そのモデルは「ホットビッグバンモデル」と呼ばれています。宇宙が大きくなり始めると、その中の物も冷え始めます。宇宙が始まった当初は、宇宙は無限に熱かったのです。宇宙の温度が下がって、宇宙の中のものが塊になり始めました。

ホーキング博士は、宇宙がどのように存在し得たかについても語っています。例えば、宇宙が形成された後、すぐに崩壊してしまったら、生命が誕生するのに十分な時間がないでしょう。また、宇宙が急速に膨張した場合もそうです。宇宙が急速に膨張すると、ほとんど空っぽになってしまいます。このような宇宙が多数存在するという考え方を多世界解釈といいます。

インフレーションモデルもこの章で議論され、量子力学と重力を統合する理論のアイデアも紹介される。

各粒子は多くの履歴を持つ。この考え方は、ファインマンの「歴史上の総和の理論」として知られている。量子力学と重力を統合する理論には、ファインマンの理論が含まれているはずである。ある粒子がある点を通過する確率を求めるには、各粒子の波を足し合わせる必要がある。これらの波は、虚数時間で起こる。虚数は、掛け合わせると負の数になる。例えば、2i X 2i = -4である。

惑星、星、太陽の位置についてプトレマイオスが考えていたことを絵に描いたようなもの。


これはライトコーン


アインシュタインは、時間は絶対的なものではない、つまり常に同じものではないと言った


ビッグバンと宇宙の進化を紹介します。宇宙が時間と共に膨張していく様子が描かれています。


ここに光の波の絵があります。


光の干渉により、多くの色が現れる。


スピン1の粒子は、この矢印のように、全部回らないと同じに見えません。


これは陽子です。3つのクォークで構成されています。クォークがすべて違う色をしているのは、閉じこめられているためです。


ブラックホールと、その周りの光がどのように変化するかの写真。