第1章科学と宇宙――ひとめぐりScience and the Universe: A Brief Tour

Over centuries scientists have extracted various scientific laws from countless observations, hypotheses, and experiments. These scientific laws are, in a sense, the “rules” of the game that nature plays. One remarkable discovery about nature—one that underlies everything you will read about in this text—is that the same laws apply everywhere in the universe. The rules that determine the motion of stars so far away that your eye cannot see them are the same laws that determine the arc of a baseball after a batter has hit it out of the park.

科学者は何世紀にもわたり、数えきれない観測、仮説、実験から、さまざまな科学法則を導き出してきた。こうした科学法則は、いわば自然が行うゲームの「規則」である。自然についての驚くべき発見の一つは、同じ法則が宇宙のあらゆる場所で成り立つということだ。この発見は、本書で読むすべてのことの土台となっている。遠すぎて肉眼では見えない恒星の動きを決める規則と、打者が球場の外へ打ち出した野球のボールの弧を決める法則は、同じなのである。

Note that without the existence of such universal laws, we could not make much headway in astronomy. If each pocket of the universe had different rules, we would have little chance of interpreting what happened in other “neighborhoods.” But, the consistency of the laws of nature gives us enormous power to understand distant objects without traveling to them and learning the local laws. In the same way, if every region of a country had completely different laws, it would be very difficult to carry out commerce or even to understand the behavior of people in those different regions. A consistent set of laws, though, allows us to apply what we learn or practice in one state to any other state.

このような普遍的な法則が存在しなければ、天文学はほとんど前進できないことに注意してほしい。宇宙の領域ごとに規則が異なっていたら、別の「近所」で起きたことを解釈できる見込みはほとんどないだろう。自然の法則に一貫性があるからこそ、遠くの天体へ出向いて現地の法則を学ばなくても、その天体を理解する強力な手段が得られる。同じように、一つの国でも地域ごとに法律がまったく違えば、商取引を行うことも、別の地域の人々の行動を理解することさえも、たいへん難しくなるだろう。けれども、法律に一貫性があれば、ある州で学んだことや実践していることを、ほかのどの州にも当てはめられる。

This is not to say that our current scientific models and laws cannot change. New experiments and observations can lead to new, more sophisticated models—models that can include new phenomena and laws about their behavior. The general theory of relativity proposed by Albert Einstein is a perfect example of such a transformation that took place about a century ago; it led us to predict, and eventually to observe, a strange new class of objects that astronomers call black holes. Only the patient process of observing nature ever more carefully and precisely can demonstrate the validity of such new scientific models.

これは、現在の科学モデルや法則が変わりえないという意味ではない。新しい実験や観測から、新しい現象とその振る舞いについての法則を含む、さらに精緻なモデルが生まれることがある。アルベルト・アインシュタインが提唱した一般相対性理論は、約1世紀前に起きた、まさにそのような変革の好例である。この理論によって、天文学者がブラックホールと呼ぶ、奇妙な新しい種類の天体を予測し、ついには観測することになった。新しい科学モデルの妥当性を示せるのは、自然をますます注意深く、精密に観測し続ける、辛抱強い過程だけなのである。

One important problem in describing scientific models has to do with the limitations of language. When we try to describe complex phenomena in everyday terms, the words themselves may not be adequate to do the job. For example, you may have heard the structure of the atom likened to a miniature solar system. While some aspects of our modern model of the atom do remind us of planetary orbits, many other of its aspects are fundamentally different.

科学モデルを記述するうえでの重要な問題の一つは、言葉の限界に関わる。複雑な現象を日常の言葉で説明しようとしても、その言葉だけでは十分に役目を果たせないことがある。たとえば、原子の構造を小さな太陽系になぞらえた説明を聞いたことがあるだろう。現代の原子モデルには、確かに惑星の軌道を思わせる面もあるが、ほかの多くの面は根本的に異なっている。

This problem is the reason scientists often prefer to describe their models using equations rather than words. In this book, which is designed to introduce the field of astronomy, we use mainly words to discuss what scientists have learned. We avoid complex math, but if this course piques your interest and you go on in science, more and more of your studies will involve the precise language of mathematics.

この問題があるため、科学者はしばしば、言葉よりも方程式でモデルを記述しようとする。天文学という分野への入門を目的とする本書では、科学者が何を学んできたのかを、主に言葉で説明する。複雑な数学は避けるが、この講座で興味をひかれ、科学の勉強を続けるなら、学ぶ内容には、数学という精密な言語がますます多く登場するようになるだろう。