2011年のノーベル物理学賞は、宇宙が加速度的に膨張していることを観測で示した3氏(ソール・パールマター博士(米ローレンス・バークリー国立研究所)、ブライアン・シュミット博士(オーストラリア国立大学)、アダム・リース博士(米ジョンズホプキンス大学))が受賞しました。
この発見にどのような意味があるのか、歴史を振り返りながら説明したいと思います。
1910年代、宇宙研究にとって大きな2つの発見がありました。
1つめはリーヴィット(アメリカの女性天文学者)の発見です。彼女は、「変光星(周期的に明るさが変化する恒星)の変光の周期」と「変光星の本当の明るさ」との間に相関があることを発見しました。これにより、変光の周期を測定することでその星の本当の明るさを知ることができるようになりました。
しかしもちろん、「見かけの明るさ」は距離によって変化します。具体的には、見かけの明るさは距離の2乗に反比例します。
これらのことを利用すると、見かけの明るさを測定し、変光の周期から求められる本当の明るさと比較することで、その星までの距離を知ることができるようになりました。
もう1つはスライファー(アメリカの天文学者)の発見です。星雲から来る光が「赤方偏移」していることを発見しました。
「赤方偏移」とは、星雲から来る光の波長が長くなることです。
これは、遠ざかる音源から出る音が低くなる「ドップラー効果」と同じ現象です。
赤方遷移の度合いを測定することで、各々の星雲の遠ざかる速度(後退速度)を求められます。
この2つの発見を結び合わせ、多くの星雲について「距離」と「後退速度」の関係を調べたのがハッブル(アメリカの天文学者)です。そしてハッブルは、星雲までの「距離」とその「後退速度」は比例していることを発見しました。
これは、宇宙空間が一様に広がっていると考えれば説明がつきます(下図)。
このようにしてハッブルは、宇宙が膨張していることを発見しました(1929年)。
またこの頃、アインシュタインによって一般相対性理論が完成されました(1915年)。
アインシュタインは「宇宙空間は静止している」と考えていました。
ところが、宇宙空間にある物質の間には必ず万有引力が働きます。つまり、物質どうしは収縮する方向に力を受けているのです。それにも関わらず宇宙が静止しているためには、「万有引力に反する何か」が必要だとアインシュタインは考え、それを「宇宙項」と名付けました。この宇宙項が万有引力とつりあって、宇宙空間は静止していると考えたのです(ハッブルの発見によってこの考えは否定されてしまいます。しかしそれでも、宇宙が膨張するために「宇宙項」が必要であるという主張は生きつづけました)。
ところがその後、フリードマン(ロシアの数学者)は「大きな初速さえあれば、万有引力によって減速しながらも宇宙は膨張し続けることができる」と考えました(この「大きな初速」という考えは、ガモフによる「ビッグバン」(宇宙の始まりの大爆発)という考えにつながりました)。つまり、「大きな初速」さえあれば宇宙は膨張できるのであり、「宇宙項」は不要なものとなってしまったのです。
アインシュタインは、宇宙項を導入したことを「生涯最大の失敗」と悔んだそうです。
長くなったので、次回に続けます。
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