宇宙空間が膨張しても2点間の距離が伸びない？

質問

宇宙空間が膨張する為、銀河系の中心Gとアンドロメダ銀河の中心Aの2点間の距離が伸びつつあるそうです。
これを命題１「GA間の距離が単調増加」とします。

一方、ダイヤモンドを構成する炭素結晶は炭素間の距離が0.15nm（ナノ・メーター）で一定しており、何万年たっても2点間の距離が変わらない可能性が高いと聞きます。
これを命題２「ダイヤモンドの炭素間距離一定」とします。

私は、命題１が真なら、命題２は偽ではないかと思うのですが、実際のところ命題１と命題２が同時に真なのでしょうか？

それとも、命題２が成立する時間はたかだか1万年程度の短期間であり、宇宙空間の膨張を云々するときの時間軸は最低でも1億年以上だから、命題１と同じ時間軸で議論すれば命題２は偽と言っても良いのでしょうか？

宇宙空間の膨張がダイアモンドの炭素原子間の距離どのような影響を与えるのか、それとも影響を与えないのか、宇宙空間膨張の知見をお持ちの専門家の方より、素人向けにアドバイスを頂けると有り難いです。

どうぞよろしくお願い申し上げます。

回答No.2

noname#212313 · ベストアンサー

多少は勉強したらどうかと思うんですけどね。

> 宇宙空間が膨張する為、銀河系の中心Gとアンドロメダ銀河の中心Aの2点間の距離が伸びつつあるそうです。
>これを命題１「GA間の距離が単調増加」とします。

　アンドロメダ銀河が固有速度により、この天の川銀河に接近中です。しかしまあよろしい。要は空間の膨張ですね？

>一方、ダイヤモンドを構成する炭素結晶は炭素間の距離が0.15nm（ナノ・メーター）で一定しており、何万年たっても2点間の距離が変わらない可能性が高いと聞きます。
>これを命題２「ダイヤモンドの炭素間距離一定」とします。

　原子の結合ですな。その通りですよ。

> 私は、命題１が真なら、命題２は偽ではないかと思うのですが、実際のところ命題１と命題２が同時に真なのでしょうか？

　同時に真です。

> それとも、命題２が成立する時間はたかだか1万年程度の短期間であり、宇宙空間の膨張を云々するときの時間軸は最低でも1億年以上だから、命題１と同じ時間軸で議論すれば命題２は偽と言っても良いのでしょうか？

　いいえ、同時に真です。

> 宇宙空間の膨張がダイアモンドの炭素原子間の距離どのような影響を与えるのか、それとも影響を与えないのか、宇宙空間膨張の知見をお持ちの専門家の方より、素人向けにアドバイスを頂けると有り難いです。

　現在の膨張速度では影響ありません。銀河系内で恒星が密集していることも、太陽系で惑星が安定して公転していることもそうです。

　しかし、厳密に言えば影響している。空間における2点間は常に離れつつあるため（※ローカルな重力などの影響はとりあえず無視している）、仮に互いに全く影響を及ぼさない二つの粒子が少しでも離れた位置にあれば、空間の膨張に伴い、二つの粒子は遠ざかる。

　しかし、二つの粒子の間にマクロで言えば、重力は必ず働くし、正負の電荷であればやはり引力が生じる。ミクロでは核力が働いている。現在の空間の膨張速度では、ミクロはもちろん、銀河系サイズでも言うに足る程の影響はない。まだ重力、電磁気力、弱い力、強い力と拮抗するほどの膨張速度はないから。

P.S.

　しかし、今後も宇宙が加速膨張を続けた場合、遠い未来では空間の膨張速度が速くなりすぎて、太陽から惑星を引き離すようになり、ついで恒星や惑星が重力で固まっていられず崩壊し、最後には原子核も砕けて飛び散るようになる（ビッグリップ）。

お礼

有難うございました。

＞現在の空間の膨張速度では、ミクロはもちろん、銀河系サイズでも言うに足る程の影響はない。まだ重力、電磁気力、弱い力、強い力と拮抗するほどの膨張速度はないから。

この部分、大変よく理解できました。

回答No.9

foomufoomu

私も同じような疑問を持つのですが、この問題、どうも「空間」という言葉が曲者じゃないかと思っています。
「空間」という言葉には、数学的に扱われる空間と、国語的に扱われる空間があります。

数学的な空間は、「座標系」と同意と言ってよいものです。この場合の「空間の膨張」は、座標軸全体が伸びるのですから、中にいる人も、ものさしも、すべて一様に膨張してしまい、中にいる人は普通の方法では膨張していることを知ることすらできません。ものさしも一緒に膨張してしまうのですから。

国語的な空間は、「室内空間」などというように、ある範囲の広がりを示す言葉です。この場合の空間の膨張は、6畳間を12畳間に増築するような話で、空間が広がっても、中の人も、ものさしも、膨張しません。

「宇宙の膨張」は、はじめは、無限の宇宙空間の中の一点で大爆発が起き、その塵がどんどん宇宙空間に広がっている。という話だと思っていたのですが、、、
いつの間にか「宇宙空間の膨張」に変わっていて、座標軸全体が伸びているような話に変わってきています。（個人的には「ほんまかいな」と思ってます）

ただ、
＞銀河系の中心Gとアンドロメダ銀河の中心Aの2点間の距離が伸びつつあるそうです。
これは、普通に距離測定して、それが分かったのであれば、「空間の膨張」は国語的な意味の膨張です。中の人もダイアモンドも膨張しません。
（普通でない距離測定とは、4次元空間的なゆがみを、重力の不規則性をしらべて推測する、みたいな測定のことです。普通の方法で測定した物理現象が、数学の理論に合わなければ、数学的な変動が起きているのではないか、と推測できます。）

お礼

膨張と言われると、ディジタルの画像を斜め上に引き伸ばして、全体が伸びるようなイメージがあって、もしそうなら、天体間の距離だけでなく、物質の原子の間の距離だって伸びるのかと思ったのですが、これは局所慣性系というなかに属しているものは伸びず、宇宙空間で距離が離れており、ひとつの完成形に属さないモノの距離が離れているという事の様でした。

ご自身の考えを教えていただきありがとうございました。

回答No.8

noname#221368

#5です。

＞しかし、この理解をもとにすると、宇宙空間という慣性系のなかで、二つの天体の相対速度が光速を超えることを認めないといけなくなる、のではなかったかしら。

　特殊から一般相対性理論に移行した時点で、宇宙空間という慣性系はなくなります。あるのはただ局所慣性系のみです。

　例えば、ブラックホールの事象の地平線付近の局所慣性系を考えてみます。この局所系に対しても光速度不変の原理から、光はこの局所慣性系を光速で通過します。そうするとブラックホールから十分離れた地点にも、ブラックホールから出た見えないはずの光が伝わってくるように思えますが、実はこの局所慣性系は重力作用でブラックホール方向へ地滑りを起こしています。地滑り速度は光速です。

　従って事象の地平線に達した光は、どう頑張っても地平線付近にとどまり続ける以上の事は出来ず、出てくる事はありません。なので、遠方の観測者の局所慣性系に基づいた観測結果と一致する事になります。

　では事象の地平線内部では、局所慣性系の（空間の）地滑り速度は超光速なのか？。本当はもうちょっと難しい事を言わないといけないらしいのですが(^^;)、単純に言えばそうです。しかし地滑り速度が超光速なら光さえ出て来れないので、地平線内部の光や物体と外部は、全く相互作用出来ません。

　相互作用出来ないなら何が起こっても（超光速でも）良いのよ、というのも相対論です(^^;)。これは特殊でもそうで、光円錐の空間領域にある対象は（相互作用出来ないので）、観測者と超光速の相対速度があってもOKです。

　背景輻射温度の実測と理論とのずれを説明する目的で、この点に注目した日本の佐藤さんは、ビックバン直前に（光や物質発生前に＝相互作用のない状態で）宇宙は超光速で膨張し（インフレーション）、超遠方銀河の局所慣性系は超光速で後退するようになったと提唱しました。そういう訳で、

＞・・・アインシュタインが提案した相対性理論が偽となる・・・

事はないようです（現状では）。ただ、

＞慣性系として固定された空間では説明つかない現象（２天体の相対速度が光速を超える）を観察（あるいは想定）しているから、この現象を許容できるように「宇宙空間の膨張」という仮説を導入した・・・

は、ある意味そのものずばりですよ。本職の人達だって最初は、インフレーションの説明に相当な抵抗を感じてたようですから(^^)。

お礼

ご丁寧な再投稿ありがとうござます。

素人向けに分かりやすくご説明していただき、大変感謝しております。
しかも、「ある意味そのものずばりですよ。」などと、素人の浅知恵にも敬意を表していただき、有り難いです。

高校生ぐらいの時にddtddtddtさんのような教師に物理学を習ったとしたら、自分も物理学を専攻したかもしれませんね。

＞一般相対性理論に移行した時点で、宇宙空間という慣性系はなくなります。あるのはただ局所慣性系のみです。

これは、正直、はじめて知りました。
目から鱗です。
仮に空間の膨張を認めなくても、積年の疑問（＝北極星の方向、120億光年の天体と、間逆方向の130億光年先にある天体は、相対的に光速を超えて離散しているのじゃないか？）が解消しました。

局所慣性系が成立することで、何でも可能（笑）、に成りますね。

回答No.7

雪中庵（@psytex）

空間の膨張は、最高速度であるc(光速)の減少の等価
であると言え、量子のエネルギーの式「E=hν=hc／λ」
から、cを仮に定数とした場合には、h(不確定性)の
収束＝物体の収縮と等価となる。
つまり、距離が変わらなくても全ての物が小さくなれ
ば、その視点からは宇宙が膨張して見えるという事だ。
それが物質の根底をなす量子に由来すれば、その等価
性の違いを特定する事は不可能だ。

ただ、空間が膨張していると考えた場合、特異点から
のエネルギーの塊の爆発になるし、物質(不確定性)が
収縮していると考えた場合、その起源は無限不確定性
からのhの収束となり、不確定性原理の相補的不確定性
を階層現象表面的に（いい加減に）捉える事に基づく
事で派生する非光速性に依拠する、現在(感受表面での
量子相互作用＝潜在的認識可能性)からの過去（時間の
流れ=記憶=過去=超光速）と未来（空間の広がり=予測
=未来=光速下）の対発生の結果と考えられるのだ。

お礼

有難うございました。

前段部分はよく理解できます。所詮は相対的ということですよね。
しかし、後半部分はいま一つ飲み込めませんでした。

回答No.6

tetsumyi

物理学に、命題なんて言う数学的な定義を持ち込むことは無意味です。
物理学では測定した場合に測定結果が得られるか、その根拠はどこにあるかを探求することが全てです。
宇宙空間が膨張しているというのは、その兆候が観測できることと、何億年経った後に結果が現れるであろう１つの説です。
ダイヤモンドの炭素間距離一定というのは、今時点の理論では１０００年以内で不変または変化が測定限界以下であろうという推測です。
ダイヤモンドの炭素間距離も、何億年後に測定すると変わっているかもしれません。
最も測定方法が問題なのかもしれません。

お礼

無意味ですみませんでした。

回答No.5

noname#221368

命題1と2は両方とも真だというのが自分の意見です。ただし、銀河系の中心Gとアンドロメダ銀河の中心Aは、普通に遠ざかっているという意味において（←近づいてるのだっけ(^^;)）。

　ビックバンによる膨張は、火薬の爆発による爆散と基本的には同じだ、が自分の意見です。なので原子間距離は変わらなくて、遠方銀河が遠ざかってもOKです。

　ただこの爆発は、3次元空間内に限られた普通の火薬の爆発とは違う点もあります。普通の爆発では、爆発の中心から見れば爆散は等方的に見えますが、中心以外からはそうではありません。そうするとその偏りを測ってやれば、爆発中心を特定できる事になります。

　ところがビックバンの爆散は、宇宙のどの点から見ても等方的だろうと考えられています（最も単純なモデルで）。そうすると爆発中心はない（特定できない）事になります。

　そこで考え出された比喩が、3次元宇宙を2次元球面にした風船の例えで、この風船の例えから世間的には「膨張」のイメージが定着したと思われます。つまりビックバンの爆散は、4次元以上における膨張という事になります。一般相対性理論によって4次元空間には、いちおうはっきした物理的意味があります。

　上記は非常にわかりやすい例えでしたが、風船の皮の伸びのイメージにより、命題1と2の対立みたいな誤解の根にもなりました。

お礼

投稿ありがとうございます。

「火薬の爆発による爆散と基本的には同じだ」というのは大変分かりやすいですね。
しかし、この理解をもとにすると、宇宙空間という慣性系のなかで、二つの天体の相対速度が光速を超えることを認めないといけなくなる、のではなかったかしら。

もちろん、それ（光速を超えて離反する）でも良いのですが、そちらを真とすると、アインシュタインが提案した相対性理論が偽となる、、、のかな？

慣性系として固定された空間では説明つかない現象（２天体の相対速度が光速を超える）を観察（あるいは想定）しているから、この現象を許容できるように「宇宙空間の膨張」という仮説を導入したのではないか、と思っていました。

ここいらへん（天体間の離散速度が光速を超える）に関して、ご意見があればぜひご教示ください。

回答No.4

SPROCKETER

宇宙空間が膨張し続けているという命題が必ずしも真実ではありません。

　たとえば、４６億年前から現在までに全ての部分で宇宙空間が膨張を続けているのであれば、太陽系の大きさも広がっているはずで、太陽と地球の距離が遠ざかって、地球は寒冷化しているはずです。逆に言えば、４６億年前は、金星よりも近い軌道を地球が公転していた計算になります。

　銀河系も同じで、銀河系が誕生した１００億年ほど前と現在を比べると、銀河系の大きさは３倍ぐらいに広がっている計算になります。

　実際には、銀河間の距離が膨張しているだけで、太陽系や銀河系の大きさはほとんど変わっていないと考えられています。

　炭素分子間の大きさのような量子力学的な問題も同じで、物理法則が変わらなければ、ほとんど変わらないと考えられています。

お礼

有難うござました。

どうも、現時点での空間の膨張速度がまだ遅いので、四つの力のどれかによって相互の位置を拘束されている物質・物体の内部までは離散せずに済んでおり、これが遠い将来に膨張速度が加速した暁にはダイヤモンドはもとより原子を構成する素粒子までがばらばらになる可能性があるそうです。

回答No.3

mpascal

宇宙の膨張にはダークエネルギーが影響しているといわれています。（ダークエネルギーが何なのかはいまだ不明ですが）
原子レベルの話は、量子論等の標準理論がほぼ確立しており、それが証明されているからです。

お礼

有難うございました。

回答No.1

mpascal

回答ではないですが、アンドロメダ銀河は接近しているという話もあります。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%8A%80%E6%B2%B3%E7%B3%BB%E3%81%A8%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%89%E3%83%AD%E3%83%A1%E3%83%80%E9%8A%80%E6%B2%B3%E3%81%AE%E8%A1%9D%E7%AA%81%E5%90%88%E4%BD%93

お礼

ご指摘ありがとうございました。

補足

アンドロメダ銀河が妥当な例でない場合は、
最も遠い銀河といわれるUDFj-39546284の中心をUとして、
質問のGAを、このGUに置き換えていただいて結構です。