宇宙の初期に、なぜブラックホールにならずに膨張できたのか？

質問

以前から疑問に思っていたのですが、宇宙の初期には膨大な質量がきわめて
狭い空間に集中していたのに、どうして重力崩壊をしてブラックホールにな
らなかったのでしょうか？

空間が光速よりも早く膨張したというインフレーション宇宙の時代はともかく
その後のビッグバンの過程の中でも、光速の到達範囲内でも巨大な質量があっ
たと思うのですが。

回答No.7

noname#108554 · ベストアンサー

なるほど、だんだん核心をついてきたようですね。

中性子星と宇宙初期とは、質量はおいといて
何が違うか考えてみましょう。
1.温度と密度
中性子星の内部構造は大した知識をもっていないのですが
最近の流行では、クオーク・グルーオン・プラズマという状態になっているそうで、その温度は、
http://nucl.sci.hokudai.ac.jp/~ohtsuka/study.html
「10.相対論的高エネルギー原子核衝突実験と高温高密度核物質の性質 （PDFファイル）」
の2枚目のグラフを見ると
中性子星（右下のNeucleonStar)と宇宙初期（左上のEarlyUniverse)の違いが良く分かります。
2.縮退
縮退とは、粒子の大部分が取りうる最小のエネルギーを持っているような状態のことです。
中性子星は縮退しており、（中性子星の質量はこの条件からでる；チャンドラセカール限界）
宇宙初期は縮退していません。
もっとも、私は縮退していないことを計算で示したことは無いし、そういう論文も読んだこと無いですが、多分、してないでしょう。
この現象が起きるためには、十分な低温・高圧が必要だからです。

以上を踏まえて。
やっぱり、初期宇宙が重力崩壊しなかったのは、温度が高く密度が薄いからです。
・・・もとに戻ってしまった。

初期宇宙は密度が高いといっても、実は結構薄いんです。
例えば、地球上の気体の標準状態、22.4Lで1molですが、
この程度の密度を宇宙が持っていたのはいつごろでしょう？
計算してみてください。
かなり初期の頃ですよ。
ヒント：密度∝長さ＾-3
長さ∝ｔ＾（2/3）（標準ビッグバン）
現在の宇宙の密度はだいたい1ｍ＾-3辺り陽子1個程度
現在の宇宙年齢はだいたい100億年
・・・とまあ、お茶を濁しておきます＾＾

お礼

ご回答頂いたお二人の方にお礼申し上げます。また、教えて頂く
こともあろうかと思いますが、その説には宜しくお願いします。

回答No.6

noname#108554

＞現在の宇宙の大きさ／太陽系のおおきさ＝Ｘ／現在の宇宙の平均密度
の式になりますが、これを計算すれば、中性子などよりはるかに密度が高くなります。

その通りですが、その密度でも宇宙が重力崩壊するには足りなかったということです。

そして、収縮のための重力エネルギー＜膨張のための運動エネルギー
という式が成り立っていたということです。
こっちの説明のほうが納得できるかも？（今、思った）

補足

たびたびのご教示ありがとうございます。

>> 現在の宇宙の大きさ／太陽系のおおきさ＝Ｘ／現在の宇宙の平均密度
>> の式になりますが、これを計算すれば、中性子などよりはるかに密度
>> が高くなります。

> その通りですが、その密度でも宇宙が重力崩壊するには足りなかった
> ということです。

　たとえ中性子星であっても強大な重力を支えることができないはずです。
　中性子で支えることができなければ、それは必然的に重力崩壊をしてい
　 くのでしょう？　たしか中性子星では太陽質量１．４倍が限界だったの
　 ではなかったかと思います。

> 、収縮のための重力エネルギー＜膨張のための運動エネルギー
> という式が成り立っていたということです。

おっしゃる通りだと思うのですが、静止系ならばとっくに重力崩壊して
　 も不思議ではないはずの重力に抗して膨張するということは、超光速で
　 慣性系が膨張したということなのでしょうか？？　うーん、よくわかり
　 ません。

回答No.5

mmky

mmkyです。３度も書き込んですいません。
今回限りにします。
コメント：
確かにibm_111さんの指摘のように狭い空間に膨大な振動数や波長で表示できるエネルギーがあるのなら、物質と呼ばれるものではないので、質問者の指摘のブラックホールにならないのでは、ということですが、同時にこのエネルギーが物質化（特殊相対論で表示する量）するという考えですから、質問者の指摘する疑問は必ず発生します。
そこで、この矛盾を解決するためには新しい考えがいるのでは、というのが
参考意見なのです。あくまでも参考ということで、書きますと
「宇宙空間は初期の段階で十分に大きく、すでにエネルギー密度は偏在しており、その状態で、宇宙内部のいたるところでビッグバンが起きた。」
と考えればこの矛盾はなくなります。この考えは、
「宇宙空間は初期の段階で十分に大きく」に十分な説明が要ります。
これが問題の点です。「インフレーション宇宙の時代」が想像以上に
長いとか、証明も説明も無理ですがそのような考えも質問者さんの
アドバイスには必要かなと思い、書き込みました。

参考にならなくてごめんね。

補足

なんども御手数をおかけして申し訳ありません。

＞mmkyです。３度も書き込んですいません。
＞今回限りにします。

いえいえ、そんなことおっしゃらずにご教示ください。

回答No.4

noname#108554

＞宇宙誕生当時は物質がなく、おっしゃるとおり当然物質の密度は低かった（無かった）
と言えると思います。

すみません、先ほどの私の回答は、物質＝エネルギーという立場で通してます。

誕生当時は、物質が無かったと言うのはどうでしょうか。
もしかして、物質＝ダスト＝圧力0と近似できる粒子と考えてますか?
だったら、確かに初期宇宙での「物質」の密度は低く、
「エネルギー」(＝光子など質量0粒子、ないしは、質量0と見なせる粒子、時間により、陽子なども、質量0とみなしてよい場合もある＝圧力0と見なせない)
は、密度が高いです。

＞Ｗボソンは質量を持っていますので、狭い空間に膨
大な質量が生まれたはずです。それは当然臨界をこえていたはずです。

はずです。とおっしゃるからには何か根拠があるのでしょうか?
失礼ですが、定量的にどの程度超えていたのかを示せないと、
疑似科学と呼ばれても反論できません。

で、上の意味での「エネルギー」でも重力は持ちます。
ただし、時空への影響は異なってきます。
この場合の重力とは、「時空への影響」と言う意味で
引力?斥力?とか聞かれても私には分かりません。

例えば、
物質のみの宇宙の場合の宇宙の大きさaの時間発展は、
a∝t^(2/3)
エネルギーのみの宇宙の場合は、
a∝t^(1/2)
と言う具合です。

補足

たびたびのご回答ありがとうございます。

　　物質の定義にもよるかと思うのですが、最初のご回答として
　>> 一言で言うとそれだけの物質密度が無かったからです。
　　とおっしゃっておられたので、てっきりibm_111さんの物質の概念として
　　「質量をもったもの」という意味でおっしゃっておられたと勘違いしてしまい
　　ました。お詫びします。

＞、先ほどの私の回答は、物質＝エネルギーという立場で通してます。

　　私も全く同感です。

＞　エネルギーは、密度が高いです。

　　そうであるならば E=mc^2 の式が成立して重力が生じるというのは間違って
　　いるのでしょうか。また斥力が生じる物理理論というものはあるのでしょうか？
　　ご教示いただければ幸いです。

＞＞Ｗボソンは質量を持っていますので、狭い空間に膨
＞＞大な質量が生まれたはずです。それは当然臨界をこえていたはずです。

＞　はずです。とおっしゃるからには何か根拠があるのでしょうか?

　　宇宙は高温、高密度で生まれたのではないでしょうか？　
　　宇宙は１０^-6秒後の際には太陽系の大きさになったといわれています。
　　でも、太陽系の大きさの中に現在の全宇宙の物質がつまっていたとしたら、

　　現在の宇宙の大きさ／太陽系のおおきさ　＝　Ｘ／現在の宇宙の平均密度

　　の式になりますが、これを計算すれば、中性子などよりはるかに密度が高く
　　なります。

＞　失礼ですが、定量的にどの程度超えていたのかを示せないと、
＞　疑似科学と呼ばれても反論できません。

　　私は、相対論や量子力学を否定するつもりなど全くありません。もしその
　　ようなトンデモ本の信奉者とみられるのなら私の不徳のいたすところです。

回答No.3

mmky

追伸：
[そうなんですよね。Ｅ＝ｍｃ^２の式が宇宙誕生当初でも成立していれば、エネルギー がある以上、質量をもっているでしょう。また、質量をもった物質が誕生した後であっ ても、誕生当時は、きわめて狭い空間に物質がひしめき合っていたはずですのに。]
ということについて、ご指摘の通りだと思います。
質問者の考え方に同意します。
だから「Ｅ＝ｍｃ^２の式が宇宙誕生当初でも成立していれば、」を疑うことのほうが正しいのではないかと考えます。
特殊相対論が無効であるなら何が起こっていたのか?
また、特殊相対論が有効になったのは何故か？その時期は？を考えることがむしろ多くの成果をもたらすように思います。
参考意見まで

補足

たびたびのご回答ありがとうございます。

>　特殊相対論が無効であるなら何が起こっていたのか?
>　また、特殊相対論が有効になったのは何故か？その時期は？を考えることが
>　むしろ多くの成果をもたらすように思います。

　うーん、どうなんでしょう。現在の標準理論なり大統一理論なりは、特殊相対論
　と量子力学の二本柱の上になりたっているのですよね。宇宙の初期の時代の話は
　大統一理論から導き出されていると思います。（もちろん異論も多いでしょうが）

　ならば、少なくとも宇宙の誕生の直後から特殊相対論はなりたっていると思うの
　ですが・・・(^^;;

回答No.2

mmky

ibm_111さんの回答での指摘のように
「物質密度が無かった。」しかし、質問者の指摘のように
「膨大な質量に匹敵する膨大なエネルギーは存在した。」
と解釈すべきかと思います。なぜかエネルギーというと重力がないのですね。
もっともっとわれわれは、研究しなければいけませね。

参考まで

補足

早々のご回答ありがとうございます。

＞「膨大な質量に匹敵する膨大なエネルギーは存在した。」
＞と解釈すべきかと思います。

そうなんですよね。Ｅ＝ｍｃ^２の式が宇宙誕生当初でも成立していれば、エネルギー
がある以上、質量をもっているでしょう。また、質量をもった物質が誕生した後であっ
ても、誕生当時は、きわめて狭い空間に物質がひしめき合っていたはずですのに。

回答No.1

noname#108554

一言で言うとそれだけの物質密度が無かったからです。
密度があれば、「閉じた宇宙」になり、
現在の宇宙の物質密度パラメータΩ0＞10＾10
で、宇宙の存在する時間がみじかすぎ、銀河が生まれません。

参考文献：宇宙と自然界の成立ちを探る
池内了著 サイエンス社

補足

早々のご回答ありがとうございます。

宇宙誕生当時は物質がなく、おっしゃるとおり当然物質の密度は低かった（無かった）
と言えると思います。しかし、特殊相対論ではエネルギーと質量は等価と主張してい
ますので、エネルギーがある以上、重力もあったのではないかと思います。

もし、光子だから質量がないとのことでしたら、最初の生まれたのは光子の仲間の
うち、宇宙誕生後、きわめて短い間に光子の仲間がヒッグス場と相互作用を行いＷボ
ソンが誕生したとされています。Ｗボソンは質量を持っていますので、狭い空間に膨
大な質量が生まれたはずです。それは当然臨界をこえていたはずです。

また、宇宙誕生後、はじめて宇宙が晴れ上がった（電子と光子との相互作用が特別
な段階になった）ときには、電子、クォーク、ニュートリノ等、明確に質量をもって
いるものが、狭い空間にひしめき合っていたのですから、当然重力崩壊をしてもおか
しくないでしょう。

このあたりがよくわからないのです。