光の化石を調べれば宇宙の様子が分かる

個々の天体からの光でなければ、宇宙にははじめから光があったとしてみましょう。すると、驚くべきことがわかります。宇宙が膨張すると、それによって光の波長が伸ばされます。逆にいえば、現在3度の光は過去には高温だったことになります。宇宙のはじめに高温の光があって、それが膨張によって波長が伸ばされた(温度が冷やされた)と考えられるのです。

宇宙の大きさがゼロだったビッグバンの瞬間を時間のはじまりとすれば、1秒後の光の温度は100億度、100秒後が10億度、1年後が300万度、10万年後が3000度、そして100億年後の現在が3度にまで下がったのです(この光の温度のことを「宇宙の温度」ともいいます。)。

現在はあまりに弱々しいので、1965年までだれもそんな光に気がつかなかったのです。温度が高いということは、エネルギーか大きいということですから、現在観測される弱々しい光も、昔は非常に大きなエネルギーをもっていたことになります。たとえば、温度が3000度のとき(これは宇宙の大きさが現在の1000分の1のときにあたります)にわれわれがいたとすれば、宇宙全体が太陽の表面のように輝いているのを見るでしょう。それどころか、あまりに温度が高すぎて、われわれの体をつくっている原子はすべて蒸発してしまうでしょう。

原子は、原子核とそのまわりを回る電子からできています。このような高温では、電子は光にぶつかって大きくはね飛ばされ、原子核の引力を振りきって自由になってしまいます(原子核は電子の1000倍くらい重いので、このくらいの温度では大きくはね飛ばされることはありません)。物質はもう原子としては存在できないのです。したがってその時期を境にして、物質の構造に大きな変化が起こります。

原子として存在する以前は、原子核と電子がそれぞれ別々に、まったく自由に飛び回り、絶えず光とぶつかっていました。そのころの状態を見ようとしても、光が絶えず物質とぶつかるので、まるで雲のなかのようにまったく見通しがきかないのです。

宇宙が膨張し、温度が3000度に下がってようやく、電子は原子核につかまり原子がつくられました。すると雲がさっと晴れたように、光は何物にもじゃまされずに進めるようになります。いわば、宇宙が晴れ上がったのです。そのときの光が、宇宙膨張によってさらに波長が伸ばされ、温度3度の光として観測されたわけです。

その光は、ビッグバンの10万年後の光の化石といえるでしょう。地質学では化石を調べればいろいろのことがわかります。同じようにこの光を調べると、そのころの宇宙のようすがわかります。たとえば、あらゆる方向からの光の温度がまったく同じであることから、当時の宇宙はのっぺらぼうのように、ほとんどでこぼこかなかったことが推測されるのです。

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— posted by 宇多元 at 11:54 am