膨張する宇宙：「空間を創る」とは本当は何を意味するのか？

空間の創出というパラドックス

ハッブルの法則と膨張の測定

1929年、エドウィン・ハッブルは、銀河の距離とその後退速度との関係を確立することにより、宇宙の膨張の最初の観測的証拠を提供した。 この関係はハッブルの法則として知られ、v = H₀ × d という式で表される。ここで、v は後退速度、d は距離、H₀ はハッブル定数である。

宇宙加速膨張と暗黒エネルギー

1998年、Ia型超新星を研究していた2つの独立したチームが革命的な発見をした。宇宙の膨張は予想に反して減速しておらず、加速しているのである。 この観測は2011年のノーベル物理学賞を受賞し、「暗黒エネルギー」と呼ばれる反発的なエネルギーの存在を含意する。それは宇宙のエネルギー内容の約68%を占めるとされる。

以下の表は、宇宙の組成と、膨張の動力学における各成分の役割をまとめたものである。

膨張する宇宙は「空間を創る」のか？

共動点の概念

膨張する宇宙における「空間の創出」という概念は微妙であり、しばしば誤って解釈される。 それは哲学的な意味での「無」からの新しい空間の出現ではなく、時空の共動点間の固有距離の増大を指す。

注：
共動点とは、膨張する宇宙における固定された座標を指す。 遠方の銀河は、それを隔てる距離がスケール因子とともに増大しても、共動位置を保つ。 言い換えれば、それは局所的に「動く」のではなく、宇宙論的計量の膨張に従っているのである。

空間でないなら、何が「創られる」のか？

宇宙の動的幾何学

宇宙が「空間を創る」と言うとき、あたかも宇宙が一種の見えない物質を生産しているかのように、真空の製造を想像してはならない。 実際に進化しているのは宇宙の幾何学、すなわち2点間の距離がどのように測定されるかである。

「膨張」とは距離の測定方法に関わる

物理学者の言葉では、時空の構造そのものが動的である。遠方の銀河の座標は固定されたままだが（それらは共動と呼ばれる）、距離を測る「物差し」は時間とともに変化する。 したがって、膨張するのは物質的な「織物」ではなく、進化する計量である。

言い換えれば、宇宙は風船に空気を入れるように体積を加えるのではなく、100万光年離れていることが何を意味するかを絶えず再計算しているのである。 「創られる」のは真空でも神秘的な物質でもなく、遠方の宇宙物体間の相対的な距離の増大である。

物理的な空間の創出よりも数学的概念

宇宙が「空間を創る」と言うのは、数学的現実を翻訳する比喩的な言い方である。 宇宙論では、物質的な織物ではなく計量、すなわち宇宙の2点間の距離を計算する方法を示す公式を扱う。 加速膨張が関与するとき、時間とともに変化するのはこの計量である。

したがって、物質としての「空間」が増殖するのではなく、点の間の幾何学的関係が変容するのである。 フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー（FLRW）計量が枠組みを提供する。それはスケール因子が増大することを示しており、これは2つの共動銀河が局所的に動かなくても距離が増大することを意味する。

この語彙は普及には有用だが、それが近道であることを心に留めておく必要がある。実際に記述されているのは、一般相対性理論の幾何学方程式の動的進化である： \( G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

「遠ざかる」銀河？

見かけの後退であり、局所運動ではない

多くのイラストでは、銀河がますます遠くに描かれ、あたかも既存の空間を実際に移動しているかのように見える。 しかし一般相対性理論の枠組みでは、膨張はそのように理解されるべきではない。 遠方の銀河は宇宙を「旅」するのではなく、共動格子上の位置を保ち、時間とともに異なって測定されるのはこの格子、計量そのものである。 言い換えれば、時間とともにスケールを変えるのは計量そのものである。 変形するのは物質ではなく、測定の規則（距離、間隔）が伸びるのである。

注：
「光速を超える」とされる速度で後退する非常に遠方の銀河は、特殊相対性理論に違反しない。なぜなら、それらは局所運動ではなく、幾何学そのものの進化に対応するからである。