虹と雪、そして桜: 2019年7月の4件の記事

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2019年7月の4件の記事

2019/07/18

【科学】かんたん量子コンピューターの話 基礎の基礎

すべての電子資産を無効化できるほど、強力な計算能力をもつ量子コンピューター。

実は、あなたも使うことができます。

IBM Q Experience

 ↑

このサイトです。量子コンピューターって、こうしてクラウド技術と組み合わせれば、誰にでも利用できるようになるんですね!

しかし・・・

量子コンピューターって、いったい何がどうすごいのか、いまいち、どうもしっくりとしない人も多いのではないかと思います。

 

よくある解説では・・・

量子は重ね合わせの状態で計算できる

とか、

量子は0と1の中間の値をとれる・・・

とか、

何か"あいまいな感じ"がいいことのように説明されています。

でも、重ね合わせとか、中間とか、そんなあいまいな印象を聞けば聞くほど、ますます計算なんか無理なんじゃないの?

という気もしませんか?

しかし、専門家にとっては、

量子はあいまい ⇨ だから量子コンピューターは凄い

これはアタリマエのことであって、疑問にならないのです。

なので、その理由はまったく説明してくれません。

 

そこで、この記事では、量子コンピューターのあいまいな感じが、なぜメリットになるのか?

そこに焦点をあてて、わかりやすく紹介してみたいと思います。

 

例として、量子コンピューターに「たし算」をやらせてみましょう。

まず・・・

量子コンピューターといえども、基本は0と1の2進法です。

なので、まずは、0と1で可能な一桁のたし算を考えてみます。

次の4通りになると思います。

0+0

1+0

0+1

1+1

いってみれば、量子コンピューターは、この4つの計算を"同時"にできる!

と、豪語しているわけです。

いったい、量子コンピューターはどんなすごい計算をしているのでしょう?

 

ふつうのコンピューターでは、プログラム的に、

[   ]  +  [   ] 

という計算式を用意し、

[   ] の中に、0、1の数字を入力する

という感じです。

入力すれば、そこから先は、プログラムが情報を処理し、計算結果を表示することになります。

ふつうのコンピューターでは、どんなに単純な計算であっても、[   ] の中に入力できる数字は、一回の計算につき、必ず0か1のどちらかです。

[   ] の中に0と1が同時に入った計算はできません。

まるで同時計算のような即時計算であっても、実のところ、一つ一つ、個々別々にすばやく計算しているだけです。

 

しかし、量子コンピューターは、ほんとうに0と1の両方を同時に入力できます。

というか、それが特徴です。

(もちろん、0か1か、どちらか一つずつの計算もできます)

今回の足し算では、 [   ] の中のオプションとして、0と1の両方がありえます。

ですので、どちらの [   ] にも、0と1を同時入力する

という量子コンピューターの強みを発揮できます。

あえて、その入力の様子を書きあらわしてみると、

[0] + [0] でもなく、[1] + [1] でもなく、

[0または1]  +  [0または1]

みたいな感じでしょうか・・・

こうやって、0と1をまとめて入力すると、

あとは何もしなくても、量子コンピューターが勝手に

0+0 = 0

1+0 = 1

0+1 = 1

1+1 = 2

という4つの計算を"同時"にやってくれる・・・

っていうわけです。

すごい・・・かも?

けれど、これだけの説明だと、なんか、たったそれだけ?

っていう感じがしなくもありません。

だって、それって、ただ4通りの組み合わせを別々に(並列に?)計算するのとあまり違わないじゃない?

と疑問に思う人もいると思います。

 

いやいや・・・

実は、量子コンピューターは、もっともっと・・・

ある意味、想像を絶することをしているんです。

さきほど、それぞれの [   ] の中に、0、1の両方の数字を入力する・・・といいましたよね?

これは、ちょっと正確ではなくて、もっと正確に言うと、 [   ] の中に、0、1の両方の数字を含む、0~1までのすべての数字を入力するのです。

どういうことかというと・・・

量子コンピューターは、0とか1とかの信号を入力するのではなく、具体的には [   ] の中に"量子"を1個いれるのです。

量子っていうのは、0の状態(上向きスピン)と1の状態(下向きスピン)がありますから、上向きか下向きか指定しないで入力すると、 [   ] の中に0と1という信号が、ほんとうに"両方"入ったことになります。

でも・・・

両方入れるってのは、逆にいうと、入力された信号が、0なのか1なのかわからないってことでもあります。

それどころか、量子の状態というのは、0~1の間の中間の状態、つまり小数、もありえます。

つまり、[   ] の中に入っている量子の状態(数字)は、めちゃくちゃランダムってことです。

わからない数字を入力して、いったい、何を、どう計算できるというの?って気がしますが、

実際、[   ] の中に量子1個を入れ、スピンの上下を指定しないというのは、[   ] の中に0から1のあいだに存在するすべての数(小数を含む)を入力することになります。

しかも、

そのうちの"どれか"、ではなく、その"すべて"が"重なった状態"で入力されている

っていうイメージです。

つまり、

[量子1個、スピンの上下指定なし]  +  [量子1個、スピンの上下指定なし] =

と、入力すると、

[0~1のすべての数]  +  [0~1のすべての数] =

という、0か1だけでなく、その間に存在しうる、小数を含めたあらゆる数字が登場してくるわけで、

[   ] と [   ] の組み合わせは、計算上、無限大になります。

こうなるともう、やってる計算は、最初に与えられた4つの足し算からは、まったく遠ざかっている感じがします。

目的から考えると、真逆の方向というか、全然関係ない計算を大量におこなっているのです。

具体的には、

0.8 + 0.0001 = 0.8001

とか、

0.1 + 0.87 = 0.97

とか、

0.1 + 0.4 = 0.5

とか、

0.345 + 0.987 = 1.332

とか、

1 + 0.2 = 1.2

とか・・・

そんな0から1のあいだのランダムな数字をただやみくもに足し合わせる・・・

そんな膨大な計算を同時にしている感じになるでしょう。

無駄に思えます。

そのうち、どこかでちょうど、

0+0 = 0

1+0 = 1

0+1 = 1

1+1 = 2

という、目的である4つの計算もでてくるかもしれません。

しかし・・・

これで、最初の問いに対する答えになるのでしょうか?

こんな感じでは、ますます、計算なんか不可能だ!

という気がしてきます。

 

しかし、それでいいんです。

とりあえず、そんな無駄にみえる計算を、たとえば10000通りやらせるわけです。

量子コンピュータは、それを瞬時におこないます。

結果をあえて3Dグラフ上(z = x + y であらわされる斜面)にあらわすと、下図のピンクのエリアになります。

ピンクのエリアに、10000個のドットが表示されている・・・とイメージしてください。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/quantum-computer11.png

ピンクのドットひとつがひとつのランダムな計算の結果をあらわします。

たとえば、

0.95 + 0.43589 = 1.38589

という計算結果が、

(0.95, 0.43589, 1.38589)

というドットで、ピンクのエリアの中にあります。

もうすこし正面からみると、こんな感じ。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/quantum-computer19.png

10000通りの"すべて"の計算結果が、このピンクの平面上に分布しているわけです。

まったく何をしているのやら・・・っていう感じです。

この中に、目的の

0+0 = 0

1+0 = 1

0+1 = 1

1+1 = 2

という、目的の4つの計算が確実に含まれているという保証はありません。

(含まれているとしたら、ピンクの菱形の角になっているはずです)

とてもじゃないですけれども、これでもって、目的の4つの足し算を同時計算した

とは思えませんよね。

それどころか、計算自体があいまいで、目的から逆に遠ざかっているようにみえます。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/quantum-computer24.png

ところが、量子コンピューターってのは、ここからが真骨頂で、

最後にこれを一気に収束させるのです。

キーワードは"収束"です。

量子っていうのは、波の性質と粒子の性質の両方の性質を持っていますので、波の状態から、粒子の状態に収束させることができます。

波として計算させておいて、出力するときに、0か1という粒子状態に収束させるのです。

すると・・・

波のときにはピンクのエリアに均等に分布していた計算結果が、"粒子の状態"に収束した瞬間、

下図のように4つの点(計算結果)にグッと収束します。https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/quantum-computer20.png

10000のドットのうち、どれがどこに収束したか?

ということをみてみると・・・

この例の場合、およそ2500個ずつの割合で、

(0, 0, 0)

(1, 0, 1)

(0, 1, 1)

(1, 1, 2)

の4つの点に凝集します。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/quantum-computer21.png

これが、

0 + 0 = 0

1 + 0 = 1

0 + 1 = 1

1 + 1 = 2

という計算を同時にする、ということなんです。

(よ~くみると、[  ] + [  ] = [  ] という計算式の項が、座標の([  ], [  ], [  ])の成分に対応していることがわかりますか?)

これが、量子コンピューターがやっている"同時"計算のイメージです。

"同時"の意味・・・

わかりましたでしょうか?

すべての数字は0と1だけであらわせることを考えると、いくら桁が大きくなっても

たとえば、[  ][  ][  ][  ][  ] と [  ] を5つにすれば、0から31(2進数で11111)までの数字の同時計算が可能になります。

 

実際には、ドットが少ないうちはうまく均等に分布しなかったり、最後にうまく収束しなかったり・・・

と、ときどきエラーが生じるそうです。

しかし、量子コンピューターそのものはすでにできているのです。

もう夢物語ではありません。

そのようなエラーが克服できれば、クラウド技術と組み合わせることによって、将来的には誰でもあたりまえのように量子コンピューターを利用できる時代になるでしょう。

 

以上、うまく説明できたかどうか、甚だ不安ですが、

量子コンピューターが得意とする"同時"計算のイメージは、

やらなくてもいい計算を含めて、総当たり的に同時に全~部やって、最後に一気に"収束"させる・・・

という感じです。

量子コンピューターって、最先端の理論で、めちゃくちゃスマートな計算をしているのかと思ったら、案外、泥臭いというか、めんどくさいことやってるんだなぁ・・・

というのが自分の感想です。

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https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/einstein-triangle.png

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2019/07/08

【科学】ノーベル賞級の謎 ~ Delayed Choice Quantum Eraser ~

光子ってのは、観測の仕方によって、波にみえたり粒子にみえたり・・・という不思議な性質があることがわかっていますが、個人的に不思議で仕方がないのは、"双子の光子"とよばれる、光子ペアの存在です。

まるで、"双子の光子"、まるで互いに意思疎通しているかのようなんです・・・

ちょっと解説してみます。

 

"双子の光子"は、

片方を調べて波だったら、もう片方も必ず波

片方が粒子だったら、もう片方も必ず粒子

と、互いにその状態が必ず一致します(下図がその実験図)。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/photon-entanglement.png

Nature Communications volume 8: 915 (2017)

日常の世界で例えてみましょう。

コインが2枚あるとします。

2枚のコインを同時にトスしましょう。

そして同時に裏表を確認します。

その結果、

必ず結果が一致するコインがあったら不思議じゃないですか?

 

"双子の光子"とは、そういう不思議な存在です。

お互いの状態がいつもピタリと一致するんです。

 

途中で片方の状態が変化すると、もう片方も、瞬時に変化します。

それがお互いの距離がどんなに遠くに離れていても

です。

 

たとえ、銀河の端から端まで離れていても、情報が瞬時に伝わるのです。

謎です。

 

しかし!

今回の話は、このことではありません。

もっと不思議なことがあるんです。

 

この"双子の光子"のつながりを、なんとか破壊してやろう!とした

いじわるな科学者がいて、いろいろとやったのです。

 

どうしたかというと・・・

"双子の光子"のうち、まず片方の状態を先に調べてしまいます。

そして、その後、もう片方の光子を、ずっと遅らせて調べて違う状態に導いてやろうとしたんです。

でも・・・ダメでした。

片方を調べてみて、波だと観察されたら、どうやっても、もう片方は必ず波として観察され、もし、片方が粒子だと観察されたら、どうやっても、もう片方も粒子として観察されるのです!w(゚ロ゚;w(゚ロ゚)w;゚ロ゚)w !! 

 

うーん・・・

なんか、驚きを伝えるのが難しいですね・・・(苦笑)

 

くじ引きで例えてみます。

同時にくじを引くと、いつも同じ結果を出す双子がいるとします。

この双子に時間差でくじを引かせる、ってことなんですが、

双子の一人が当たる → その後、双子のもう一人は、どうやっても必ずあたりのくじをひく。

双子の一人が外れる → その後、双子のもう一人は、どうやっても必ず外れのくじをひく・・・

こう書くと、少しは不思議さが伝わりますかね?

選んだくじの"状態"が常に一致している、

ではなく、

選んだくじの結果が一致するようにもう一人が"行動"する感じなんです。

光子の話にもどすと、

光子のひとつが粒子と確認される → その後、もう一つの光子は、必ず粒子検出用の機械に飛び込む

光子のひとつが波として確認される → その後、もうひとつの光子は、必ず波検出用の機械に飛び込む

わかりますか・・・?

粒子用と波用と、2つの検出器に飛び込む確率は半々になるようにセットされているのに・・・

光子は、まるで意思があるかのように、状態が一致する検出器を選んで飛び込むのです。

なんか不思議じゃないですか?

そもそも、よく考えると、先の光子と、後の光子と、どっちがどっちの運命を決めているのでしょうか・・・?

量子物理学者は、後の光子が先の光子の運命を決めている(未来が過去の運命を決める)・・・と、これはまたこれで奇妙な解釈をします(苦笑)。

後からくじを引く人の結果を、先にくじを引く方があらかじめ知っていて、その結果を事前に選択するって???

なんてややこしい・・・。

この現象は、Delayed Choice Quantum Eraser(日本語で、なんと訳したらいいのでしょう?)

といわれ、量子物理の世界ではとても有名な話で、実際に、実験で何度も確認されています。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/1920pxkim_etal_quantum_eraser.pngDelayed Choice Quantum Eraser

実験のセットアップ

(By Patrick Edwin Moran - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3215117)

いろいろな人がいろいろな仮説でこの現象を説明していますが、いまだ証明に至っていないそうです。

この謎を解明すればノーベル賞も夢ではないかもしれません。

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2019/07/03

【科学】宇宙の大きさってどれくらい?

この写真、よ~くみてください。写ってるのはたくさんの銀河です。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/pia12110800x600.jpg

(NASA/JPL/STScI Hubble Deep Field Team)

黒い背景に散らばる、かすかな光の点・・・

星のようにみえますが、星じゃないんですよ。

ひとつひとつの点が数千億個の星の集まりからなる 「 銀河 」 です。

遠い遠いかなたに存在する、銀河です。

この写真に、たぶん1000個近い銀河が写っています。

銀河がまるで星のようにみえてしまう・・・宇宙って大きいなぁ

と思いません?

宇宙の大きさって、いったいどれくらいなんでしょうね。

すごく単純な質問ですが、この質問にしっかり答えるのはなかなか難しいんです。

Googleでいろいろ調べたりすると、宇宙の年齢は138億年とか、

しかし「観測可能な宇宙」の大きさ(半径)は460億光年である

とかなんとか書いてあります。なんだか矛盾しているような、いないような・・・

そもそも"観測可能な"ってどういうことでしょう???

今回は、そんな宇宙の大きさについて考察してみました。

 

ややこしいのは、宇宙が膨張していること・・・。

1929年、ハッブル(E. Hubble)という人が、宇宙空間はどんどん膨張していることを発見しました。

この現象が、話をとてもややこしくしています。

宇宙の大きさを考えるときに、何よりも先におさえておかなければならない知識は、

宇宙空間は膨張していて、しかも、その膨張の速度が地球から遠ければ遠いほど速くなるということ。

その速度は、地球から約150億光年はなれたところでついに光速になります。

それより遠いところは、光速より速い速度で地球から遠ざかっています。

(天体から放たれた光は、空間に対する天体の速度には影響は受けませんが、空間そのものの膨張速度には影響をうけることがわかっています。なのでアインシュタインの光速度一定の原則には矛盾しません)

つまり・・・

地球から150億光年も離れてしまうと、その天体の光は、もう、いくら待っても永遠に地球に届きません。

ですから、150億光年というのは、ある意味、観測の限界をあらわす距離です。

しかし、一般にいう「観測可能な宇宙」が意味する宇宙の大きさは、この150億光年の壁のことではありません。

とりあえず、宇宙空間はそういう風に膨張している、という宇宙膨張の基本的なイメージがあとで役に立ちますので心にとどめておいてください。

しかも、宇宙が誕生した時からそういう設定である、と考えます。

(ビッグバンのときには宇宙は小さかったというよりは、最初から大きな無の空間があり、宇宙全体が最初から膨張状態にある、というイメージのほうがわかりやすいかもしれません。まぁ、宇宙は最初は小さかった、でもいいのですが・・・)

ちなみに、この瞬間にも宇宙は膨張しているため、毎秒約20000個もの星が、この150億光年の壁の向こうに消えてしまっているそうです。

いずれは、今、地球から見えているすべての天体(銀河)が150億光年の壁の向こうに消え、自分たちの銀河系の星以外、夜空に観察できる天体(銀河)はなくなると言われています(およそ、2兆年後の話だそうです。それまで、地球が存続していればの話ですが・・・)

さて、この宇宙膨張の設定をふまえたうえで、宇宙の年齢を考えてみましょう。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/pia16873.jpg

今、宇宙が誕生して、およそ138億年が経過しているといわれています(最近まで137億年といわれていましたが・・・)。

どうして、そんなことがわかるのでしょう?

わかっていることを、非常にわかりやすく言うと

「宇宙の誕生直後、一瞬、宇宙全体が光(電磁波)で満たされた時期がある」

ということだけです。

宇宙全体が光(電磁波)で同時に満たされたのは一瞬で、その後、その光(電磁波)は消え去った

と考えるのがコツです。

(一瞬といっても宇宙スケールの一瞬であって日常生活レベルの一瞬ではないのですが・・・)

そんな大昔の一瞬の光(電磁波)なんて・・・もうすでに宇宙から消えていて、観察できない気がしますよね?

ところが・・・

ここが肝心なところなんですが、

そんな138億年前の光(電磁波)が、今でも、観察できるのです。

なぜ?そんなことがありうるのでしょうか?

理由があります。

それは、その光(電磁波)が地球にとどくまでに、138億年もの時間がかかったからです。

138億年前、宇宙全体で放たれた光(電磁波)のうち、地球に近かったところから放たれた光(電磁波)は、すでに地球の場所を通り過ぎていて、もう2度と観察できません。

しかし、地球から充分に遠いところで放たれた光(電磁波)は、ちょうど今頃とか、今から後になって地球に届いてくるのです。

宇宙の半径が小さかったら、そんな光(電磁波)はすでに地球を過ぎ去り、まったく観察できなかったことでしょう。

(古い時代に放たれた光(電磁波)であればあるほど、今の地球で観察される可能性があり、その中で最古のものを宇宙最古の光(電磁波)=宇宙の年齢と考えるわけです。その当時から、それほど宇宙は大きかったんですね。もし宇宙が小さかったら、その時のすべての光(電磁波)はもう地球を通り過ぎていて観察できません)

では、さて。

今、地球で観察されるという、その138億年前の光(電磁波)とは、いったい、地球からどのくらい遠いところで発生した光(電磁波)なのでしょうか?

そんなのかんたん?

地球に届くまでに138億年かかったわけですから、地球から138億光年はなれたところから放たれた光(電磁波)に決まってる・・・

と言いたいところですが、ここが難しいところで、そうではないんです。

実は、

その光(電磁波)は、138億年前、地球から、わずか4200万光年のところから放たれた光(電磁波)なんです。

(わずか4200万光年・・・といっても光の速度で4200万年かかる距離です)

138億年前。

地球からたった4200万光年のところで放たれた光(電磁波)が、宇宙空間の膨張のせいで、やっと今頃、地球に届いているのです。

宇宙膨張のせいでこんなことになりました。

地球に届くまでに138憶年もかかってしまったわけです。

(膨張がなければ4200万年で地球に届くはずだった光です)

その138億年前、地球から4200万光年はなれたところをA地点と名づけましょう。

(正確には、A地点は1点ではなく、地球を中心に球状に分布している、と考えられます)

すると・・・

138億年前、地球から4200万光年はなれたA地点より近いところから放たれた光(電磁波)は、すでにもう地球を通り過ぎていています。

この光(電磁波)は、もう2度と観察できません。

一方、A地点より遠いところから放たれた光(電磁波)は、まだ、地球に届いていません。

ちょうどA地点から放たれた光(電磁波)だけが、今、138億年の時を経て地球で観察されています。

ここ、ちょっと誤解されやすいので強調しておきますが、

138億年前、光(電磁波)は、宇宙全体で放たれたのであって、今、地球に届いている光(電磁波)は、たまたまA地点由来ですよ

ってことです(注1)。

(反対に、138億年前、今の地球がある場所からも四方八方に放たれた光(電磁波)があり、それは、もう私たちのまわりにはありませんが、今、地球から138億光年離れたところで検出されているはずです)

ややこしいでしょう?

ちょっと想像しづらいかもしれませんが、こう考えてください。

実際、宇宙でおこったイベントは、

今から138億年前に、宇宙全体が同時に、一瞬、光(電磁波)で満たされた。

それだけです。

この光(電磁波)の発生は短期間で終了した。

その後は、宇宙全体に微弱化した電磁波だけが残った(電磁波が完全に消え失せた、でもいいです)。

という感じです。

(実は、こういう現象を今の地球からの観察の結果、類推しているわけですが・・・)

 

どうしても、想像が難しいという人は、

宇宙全体にびっしりと設置されている電球を想像してみてください。

その電球すべてが、同時に一瞬、パッと点灯し、消えたとします。

それを、

あるところから、観察すると・・・

宇宙全体で同時に点灯したとしても、

実際には、観察地点に近いところから、電灯が次々と点灯していくようにみえるはずです。

光にはスピードがあるからです。

そして、同時に消灯したとしても、

観察地点に近い電灯から次々と消えていくようにみえるのです。

宇宙が膨張していなくても、そうみえます。

これに宇宙の膨張が加わって話がややこしくなります。

 

まずは、暗闇。

突然、観察地点の近くの電灯が点灯します。そのとき、遠くの電灯は、観察地点からみると、まだ消えているようにみえます。

そして、観察地点に近い順に、次々と電灯は点灯し、次々と消えていく・・・

ということは、だんだんと宇宙全体に球状に拡散していく(ようにみえる)電灯のあかり、を観察することになります。

ほんとは、同時に光って同時に消えたのに、観察上、そうみえます。

ずいぶん時間がたった今、観察地点の近くにある電灯はすでに消えているのですが、遠くを見ると、明かりが見えます。

その明かりは、宇宙全体でずいぶん前に点灯した光なのです。

これが宇宙背景放射の正体です。

周囲の電灯は消え、まわりは真っ暗なのに、遠くの電灯から放たれた光が観察されます。

宇宙は完全な暗闇ではないのです(注2)。

 

誤解のないように繰り返し強調したいのは、

電灯の点灯する場所がだんだん遠ざかっていくようにみえても、これは、宇宙の膨張とは無関係です。

 

宇宙の膨張は、今、お話しした例え話の上に乗っかってきます。

 

さて・・・

宇宙全体が、一瞬だけ、光(電磁波)で満たされたのち、5億年程度は、宇宙には光り輝く星はなく、ただ暗く弱い光(電磁波)のみが宇宙に漂っていたらしいです。

難しいのは、

こういう昔の宇宙の姿が、今の地球には、時間的・距離的に重層状態になって観察されているということ。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/photo_20190703155401.pngどういうことかというと、

今地球に届いている光(電磁波)は、

138億年前、A地点(地球からおよそ4200万光年)から短期間はなたれた強い光(電磁波)

137億年前、A地点より地球に近いB地点から放たれた微弱な光(電磁波)

(138億年前にB地点から放たれた 強い光(電磁波)は、もう地球をとおりすぎてしまっています。以下、同様)

136億年前、B地点よりさらに地球に近いC地点から放たれた微弱な光(電磁波)

135億年前、C地点よりさらにさらに地球に近いD地点から放たれた微弱な光(電磁波)

134億年前、D地点よりさらにさらにさらに地球に近いE地点から放たれた微弱な光(電磁波)

133億年前、E地点よりさらにさらにさらにさらに地球に近いF地点から放たれた微弱な光(電磁波)

132億年前、F地点よりさらにさらにさらにさらに地球に近いG地点で形成されたばかりの宇宙最初の天体からの光(電磁波)

(132億年前になって、やっと光り輝く天体が宇宙全体に形成され始めます)

131億年前、G地点よりさらにさらにさらにさらにさらに地球に近いH地点の天体からの光(電磁波)

(H地点からの132億年前の光は、すでに地球をとおりすぎてしまっています)

130億年前、I地点地球よりさらにさらにさらにさらにさらにさらに地球に近いJ地点の天体からの光(電磁波)

(J地点からの131億年前の光は、すでに地球をとおりすぎてしまっています)

1億年前に地球の近くの天体から放たれた光(電磁波)・・・

と、

場所も時間も違うところから放たれた光(電磁波)が、今の地球に同時に重なって届いているのです(図1参照)。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/photo_20190703155401.png

138億年前、4200万年より遠いところから放たれた光(電磁波)は、今まだ地球には届いておらず、これから先、未来の地球に届くことになるでしょう。

(すでに届いているとすると138億年より前~宇宙誕生前~に放たれた光(電磁波)ということになり、宇宙の年齢を訂正しなければなりません)

138億年前、4200万光年より近いところから放たれた光(電磁波)は、もうすでに地球を通り過ぎていて、2度と観察できません(図2参照)。

少し考えてみれば、今の地球には、

138億年前、宇宙全体で放たれた光(電磁波)のうち、

138億年前(宇宙誕生0年後)のA地点(当時の地球からの距離=4200万光年)から放たれた光(電磁波)

137億年前(宇宙誕生1年後)のA地点(当時の地球からの距離=およそ4億光年)から放たれた微弱な光(電磁波)

136億年前(宇宙誕生2年後)のA地点(当時の地球からの距離=およそ8億光年)から放たれた微弱な光(電磁波)

135億年前(宇宙誕生3年後)のA地点(当時の地球からの距離=およそ12億光年)から放たれた微弱な光(電磁波)

など、同じA地点からも、違うタイミングで放たれた光(電磁波)が、同時に幾重にもなって今の地球に到達していることがわかります。

すると、今から1億年後には・・・

今から138億年前、宇宙全体で放たれた光(電磁波)のうち、A地点より遠いところから放たれた光(電磁波)が届きはじめます。

そのとき、その光は、139億年前に宇宙全体に放たれた光(電磁波)として観察されていることになります(そのときまで地球があれば・・・)。

そして、宇宙の年齢は139億歳となり、観測可能な宇宙の大きさもいまより大きなサイズで再定義されているはずです(理由は後述)。

今、観察できている、138億年前にA地点から放たれた光(電磁波)(今、私たちが観察している宇宙最古の光(電磁波))は、もう、地球を過ぎ去っているはずです。

このように、光(電磁波)の発生源は、まるで宇宙の年齢とともに、足並みをそろえるように遠く遠くへと後退していくはずです。

今から1億年後、A地点からは、宇宙誕生1年後に放たれた微弱な光(電磁波)が地球で観察されているはずです。

この光(電磁波)は、現在、137億年前(宇宙誕生1年後)のA地点から放たれた微弱な光(電磁波)とおなじ光(電磁波)です。

同様に、現在、136億年前(宇宙誕生2年後)のA地点から放たれたと考えられている微弱な光(電磁波)とおなじ光(電磁波)が、今から1億年後の地球では137億年前(宇宙誕生2年後)にA地点から放たれた微弱な光(電磁波)として観察されるでしょう。

(ややこしい・・・汗)

同様に、今、135億年前(宇宙誕生3年後)のA地点から放たれたと考えられている微弱な光(電磁波)と同じ光(電磁波)が、今から1億年後の地球では136億年前(宇宙誕生3年後)の微弱な光(電磁波)として観察されると思います。

このように1億年後の地球でも、宇宙というのは常に時間的・距離的に異なるものが重なってみえているはずです(図3参照)。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/pia175691280x1024.jpg

さて、ここまで理解できたならあと一歩です。

A地点は、今、どこにあるのでしょう?

実は、A地点は、宇宙誕生後30億年ほどで、地球から約150億光年先にある壁を通過してしまいました。

A地点は、今この瞬間には、地球からおよそ460億光年はなれたところにあります(図5参照)。

つまり、今、この瞬間のA地点の現場の様子を観察することは、絶対に、というか未来永劫できません。

考えても仕方ないことですが、

A地点は宇宙の始まりの時に一瞬光っただけですから、その後の様子は距離にかかわらず、観察することはできません。

ですが、もし仮に、A地点が宇宙誕生後にも継続的に光(電磁波)を放っていたとしたら、A地点が150億光年の壁を通過するまで30億年ほどの間に放った光(電磁波)は、これからも継続的に地球に届くはずです。

A地点が150億光年の壁を通過する瞬間に放った光(電磁波)は、理論的には無限大億年後に地球に届きます(それまで、地球が存在していればの話ですが・・・)。

A地点が150億光年の壁を通過した直後の光(電磁波)は、もう、絶対に地球に届きません。

 

現在の地球に話をもどします。

138億年前にA地点より近いところから放たれた光(電磁波)は、すでに地球を通り過ぎてしまっていますが、もし、138年より昔に放たれた光(電磁波)があれば、将来それを観察できる可能性はあります。宇宙誕生より前に放たれた光(電磁波)となってしまい、大発見です(苦笑)。

138億年前、A地点より遠いところにあった場所で放たれた光(電磁波)は、今の地球からは、まだ観察できません。

もし、今の段階で、A地点より遠いところからの何らかの光(電磁波)が観察されれば、その光(電磁波)は138億年以上かけて地球に届いた光(電磁波)であり、宇宙誕生より前に放たれた光(電磁波)となってしまい、大発見です(苦笑)。

(しかし実際には、A地点より遠いところから、もっと昔に放たれた光(電磁波)を検出しようとしても、A地点からの宇宙マイクロ波が邪魔をしてよくみえないそうです)

しかし、将来的には、A地点より遠いところから放たれた光(電磁波)は観察されるはずであり、そうすれば、今、その場所が存在する場所(今の地球から460億光年よりさらに遠いところ)までが「観察可能な宇宙」に再定義されます。

なので観測可能な宇宙の大きさは、これからだんだんおおきくなります。

今のところ、138憶年前に放たれた電磁波で、最も遠いものは地球から4200万光年のところから放たれた光(電磁波)であるので、今のその位置、およそ460億光年先が「観測可能な宇宙」と言われているわけです。

宇宙始まりの距離で言えば、観測可能な宇宙の大きさは4200万光年ともいえるわけです。

意外に小さいですね・・・

 

冒頭に述べた「観測可能な宇宙」の大きさというのは、こういう案外ややこしい話です。

では、ほんとうの宇宙の大きさは?というと、

「観測可能な宇宙」より大きいはず・・・というのが、まぁ、ふつうの結論でしょう。

しかし、実は、「観測可能な宇宙」より小さい可能性だってあるんです。

どういうことかというと、

ある同一の場所から放たれた光(電磁波)が、地球に到達した後、さらに宇宙を周回して、地球に届いている可能性です。

もしかしたら、地球からみえるある2つの天体が、違う時間の同じ星かもしれない?

そうすると、「観測可能な宇宙」の大きさのほうが、真の宇宙より大きい、ということがおこりえます。

(観察結果からは、今のところ、この可能性を否定できるそうですが・・・)

 

ここからはちょっと哲学的な話になりますが、

みんな・・・

ふつうに生活していると、光の速さを意識する必要がないので、「今でしょ!」といわれると、「今」があるような気がします。

しかし、そんなふうに「現在」を「一瞬」で切り取ることができるのは、光の速度が、みんなの動作速度に比べてはるかに速いからではないでしょうか。

もし、光のスピードが異様に遅ければ・・・どうなると思います?

みなさんの目に映る景色は、遠いものほど昔の姿になります。

同時刻を刻む時計を町中にたくさん設置してみると、みえる時刻はあなたと時計との距離にしたがってバラバラになります。

結局、時計が示している時間差は、あなたからの距離を表現しているにすぎません。

そういう世界で生活していると、「現在」とか「今」という感覚はなくなり、

時間と空間は区別できないものになるでしょう。

現実の私たちの世界では、光の速さが速すぎるため(私たちの動作が遅すぎるため)、「今」という感覚を切り取ることができる・・・

時間と空間が区別されてしまう、ともいえるでしょう。

しかし、宇宙のスケールになると、そうはいかなくなります。

宇宙のスケールに対して光のスピードは遅すぎます。

なので、時間と距離、空間が融合してしまうわけです。

宇宙の大きさを考えるっていうのは、そのような時間と空間の区別がつかない4次元世界感をとらえるということに似ています。

思ったより難しい話です。

 

(注1)

この光(電磁波)は、宇宙の全方向から地球に届いています。つまり、A地点は、実際には、地球からみて全方向性にくまなく存在するわけです。ちなみに、その光(電磁波)の性質から、当時のA地点の温度を計算すると、絶対温度約3000度であったと計算されています。すなわち、138億年前、地球から4200万光年離れたところの温度は、一様に絶対温度約3000度であった、といえます。また、別の理論からは、宇宙の始まりは宇宙全体が高温な完全黒体(溶鉱炉のようなもの)であったと予想されています。すなわち、地球から4200万光年離れたところだけが絶対温度約3000度であった、というより、宇宙全体が絶対温度約3000度であったと考えられます。宇宙には特殊点は存在しないはずという原則からも、138億年前の宇宙は、宇宙全体が絶対温度約3000度の熱平衡状態にある完全黒体であったというのはありえることです。その後、宇宙が1000倍に膨張した結果、その温度は1000分の1に赤方偏移し(下がり)、今では138億年先の光が絶対温度約2.7度の完全黒体が発する電磁波として観察されています。もし、私たちの眼が、その電磁波を"見る"(たとえば赤いと感じる)ことができるのなら、天空に散在する無数の星々の間に赤い背景がみえるのです。

(注2)

宇宙が膨張していなければ、その光は一定のはずです。いわゆる電球の光(可視光線)が届いているはずです。しかし、宇宙が膨張していると、だんだんと届く光の波長が伸びてしまい、可視光線ではなくなり赤外線~さらに電磁波になってしまいます。こうなると電球の光とは違い目にみえません。同様に、138億光年前に宇宙全体で放たれた光は、地球から観察するとすでに電磁波化しており、この電磁波を宇宙マイクロ波とよびます。人間が電磁波をみる目をもっていれば、宇宙の背景はぜんぜん暗くないのです。

(注3)

現在、地球で観察されている宇宙マイクロ波は、地球からおよそ4200万光年はなれたところから発信された電磁波(光)ですが、これから100万年(以上)の時間がたてば、いつかは4300万光年先から発信された宇宙マイクロ波をとらえることになります。理論的に。そうやって時間の経過とともにどんどん遠くから発信された宇宙マイクロ波をとらえることになりますが、宇宙は膨張していますので、それにも限りがあり、膨張速度が光速に等しいところ(仮に、宇宙の膨張が最初っから定常的なら、その当時の地球があるべき地点から約150億光年先)から発信された宇宙マイクロ波は永遠にとらえることができないでしょう。つまり、いつかは宇宙マイクロ波も観察できなくなります。はい、現実にはありえないスケールで考えた理論的な推論です。

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参考図:縦軸を宇宙誕生からの時間、横軸(というか、緑の矢印の長さ)を地球からの距離とした下記のような光路のダイアグラムを考えると、少しわかりやすくなるような、ならないような・・・。ご参考までに(BLY=億光年)。

図1 現在、地球に届いている電磁波(光)の経路。時間的にも距離的にもバラバラ。縦軸は地球の時間経過、横軸は138億年前に4200万光年先にあった場所の移動をあらわす。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/spaceexpansiondiagram1.png

 

図2 138億年前に宇宙全体で放たれた電磁波(光)の経路。多くは昔の地球に到達してしまっており、今はもう観察できない。逆に、まだ、到達していない電磁波(光)もあるはず(図3)。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/spaceexpansiondiagram2.png

 

図3 未来の地球に届く電磁波(光)の経路。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/spaceexpansiondiagram3.png

 

図4 地球から150億光年以上離れると、放たれた電磁波(光)は永遠に地球に届かない。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/spaceexpansiondiagram4.png

 

図5 138億年前、4200万光年先にあった場所が、地球から遠ざかりつつ電磁波(光)を放った場合の光路。150億光年以上離れると、放たれた電磁波(光)は永遠に地球に届かなくなる。

https://remedics.air-nifty.com/photos/hawaii/spaceexpansiondiagram5.png

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