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

The ultimate judge in science is always what nature itself reveals based on observations, experiments, models, and testing. Science is not merely a body of knowledge, but a method by which we attempt to understand nature and how it behaves. This method begins with many observations over a period of time. From the trends found through observations, scientists can model the particular phenomena we want to understand. Such models are always approximations of nature, subject to further testing.

科学で最終的な判断を下すのは、いつでも、観測・実験・モデル・検証を通じて自然そのものが明らかにする事実である。科学は単なる知識の集まりではなく、自然とその振る舞いを理解しようとする方法でもある。その方法は、一定の期間にわたって数多くの観測を重ねることから始まる。観測で見つかった傾向をもとに、科学者は理解したい特定の現象のモデルをつくることができる。こうしたモデルは常に自然の近似であり、さらに検証されるべきものである。

As a concrete astronomical example, ancient astronomers constructed a model (partly from observations and partly from philosophical beliefs) that Earth was the center of the universe and everything moved around it in circular orbits. At first, our available observations of the Sun, Moon, and planets did fit this model; however, after further observations, the model had to be updated by adding circle after circle to represent the movements of the planets around Earth at the center. As the centuries passed and improved instruments were developed for keeping track of objects in the sky, the old model (even with a huge number of circles) could no longer explain all the observed facts. As we will see in the chapter on Observing the Sky: The Birth of Astronomy, a new model, with the Sun at the center, fit the experimental evidence better. After a period of philosophical struggle, it became accepted as our view of the universe.

具体的な天文学の例を挙げよう。古代の天文学者は、一部は観測、一部は哲学上の信念をもとに、地球が宇宙の中心にあり、あらゆるものがそのまわりを円軌道で動くというモデルをつくった。当初、当時得られた太陽・月・惑星の観測結果は、確かにこのモデルに合っていた。ところが観測が進むと、中心の地球のまわりを動く惑星の運動を表すために、円に次々と円を重ねてモデルを修正しなければならなくなった。何世紀もの時が流れ、空の天体を追跡する装置が改良されるにつれて、古いモデルは、膨大な数の円を使っても、観測されたすべての事実を説明できなくなった。「空を観測する――天文学の誕生」の章で見るように、太陽を中心に置く新しいモデルのほうが、実験で得られた証拠によく合っていた。哲学上の論争の時期を経て、それは私たちの宇宙観として受け入れられた。

When they are first proposed, new models or ideas are sometimes called hypotheses. You may think there can be no new hypotheses in a science such as astronomy—that everything important has already been learned. Nothing could be further from the truth. Throughout this textbook you will find discussions of recent, and occasionally still controversial, hypotheses in astronomy. For example, the significance that the huge chunks of rock and ice that hit Earth have for life on Earth itself is still debated. And while the evidence is strong that vast quantities of invisible “dark energy” make up the bulk of the universe, scientists have no convincing explanation for what the dark energy actually is. Resolving these issues will require difficult observations done at the forefront of our technology, and all such hypotheses need further testing before we incorporate them fully into our standard astronomical models.

新しいモデルや考えは、最初に提案された段階では、仮説と呼ばれることがある。天文学のような学問には、重要なことはすべてわかっていて、もう新しい仮説などありえないと思うかもしれない。それはまったくの見当違いである。本書の各所で、天文学の最近の仮説や、ときには今も論争が続いている仮説を取り上げる。たとえば、地球に衝突した巨大な岩石や氷の塊が、地球の生命そのものにとってどのような意味をもつのかは、今も議論されている。また、目に見えない膨大な量の「ダークエネルギー」が宇宙の大部分を占めるという証拠は強いが、ダークエネルギーが実際に何なのかについて、科学者は説得力のある説明をもっていない。これらの問題を解決するには、最先端の技術を駆使した難しい観測が必要になる。こうした仮説はすべて、標準的な天文学のモデルへ十分に組み込む前に、さらに検証しなければならない。

This last point is crucial: a hypothesis must be a proposed explanation that can be tested. The most straightforward approach to such testing in science is to perform an experiment. If the experiment is conducted properly, its results either will agree with the predictions of the hypothesis or they will contradict it. If the experimental result is truly inconsistent with the hypothesis, a scientist must discard the hypothesis and try to develop an alternative. If the experimental result agrees with predictions, this does not necessarily prove that the hypothesis is absolutely correct; perhaps later experiments will contradict crucial parts of the hypothesis. But, the more experiments that agree with the hypothesis, the more likely we are to accept the hypothesis as a useful description of nature.

最後の点は決定的に重要である。仮説は、検証できる説明として提案されなければならない。科学でそのような検証を行う最も直接的な方法は、実験をすることだ。実験を適切に行えば、その結果は、仮説の予測と一致するか、それに反するかのどちらかになる。実験結果が本当に仮説と両立しないなら、科学者はその仮説を捨て、代わりの仮説を考えなければならない。実験結果が予測と一致しても、それによって仮説が絶対に正しいと証明されるわけではない。後の実験が、仮説の肝心な部分に反するかもしれないからだ。しかし、仮説と一致する実験が多くなるほど、私たちはその仮説を、自然を記述するのに役立つものとして受け入れやすくなる。

One way to think about this is to consider a scientist who was born and lives on an island where only black sheep live. Day after day the scientist encounters black sheep only, so he or she hypothesizes that all sheep are black. Although every observed sheep adds confidence to the hypothesis, the scientist only has to visit the mainland and observe one white sheep to prove the hypothesis wrong.

このことを考える一つの方法として、黒いヒツジしかいない島で生まれ、そこで暮らす科学者を想像してみよう。その科学者は毎日、黒いヒツジにしか出会わないので、すべてのヒツジは黒いという仮説を立てる。観察されるヒツジは一頭ごとに仮説への確信を強めるが、科学者が本土に渡り、白いヒツジを一頭見つけるだけで、その仮説が誤りだと証明できる。

When you read about experiments, you probably have a mental picture of a scientist in a laboratory conducting tests or taking careful measurements. This is certainly the case for a biologist or a chemist, but what can astronomers do when our laboratory is the universe? It’s impossible to put a group of stars into a test tube or to order another comet from a scientific supply company.

実験について読むと、実験室で試験を行ったり、注意深く測定したりする科学者の姿が思い浮かぶだろう。生物学者や化学者なら、確かにそのとおりである。しかし、実験室が宇宙そのものである天文学者には、何ができるだろうか。星の集団を試験管に入れたり、科学実験用品の会社から別の彗星を取り寄せたりすることはできない。

As a result, astronomy is sometimes called an observational science; we often make our tests by observing many samples of the kind of object we want to study and noting carefully how different samples vary. New instruments and technology can let us look at astronomical objects from new perspectives and in greater detail. Our hypotheses are then judged in the light of this new information, and they pass or fail in the same way we would evaluate the result of a laboratory experiment.

そのため、天文学は観測科学と呼ばれることがある。研究したい種類の天体を数多く観測し、個々の例がどのように違うのかを注意深く記録することで、検証を行うことが多い。新しい装置や技術によって、天体を新しい視点から、より詳しく調べられるようになる。その新しい情報に照らして仮説を判断し、実験室で行う実験の結果を評価するときと同じように、仮説が検証に耐えるかどうかを決めるのである。

Much of astronomy is also a historical science—meaning that what we observe has already happened in the universe and we can do nothing to change it. In the same way, a geologist cannot alter what has happened to our planet, and a paleontologist cannot bring an ancient animal back to life. While this can make astronomy challenging, it also gives us fascinating opportunities to discover the secrets of our cosmic past.

天文学の多くは、歴史を研究する科学でもある。つまり、私たちが観測することは宇宙ですでに起こっており、私たちにはそれを変えられない。同じように、地質学者はこの惑星に起こったことを変えられないし、古生物学者は太古の動物を生き返らせられない。このことは天文学を難しくする一因だが、同時に、宇宙の過去に秘められた謎を発見する、魅力的な機会を与えてくれる。

You might compare an astronomer to a detective trying to solve a crime that occurred before the detective arrived at the scene. There is lots of evidence, but both the detective and the scientist must sift through and organize the evidence to test various hypotheses about what actually happened. And there is another way in which the scientist is like a detective: they both must prove their case. The detective must convince the district attorney, the judge, and perhaps ultimately the jury that his hypothesis is correct. Similarly, the scientist must convince colleagues, editors of journals, and ultimately a broad cross-section of other scientists that her hypothesis is provisionally correct. In both cases, one can only ask for evidence “beyond a reasonable doubt.” And sometimes new evidence will force both the detective and the scientist to revise their last hypothesis.

天文学者は、現場に到着する前に起きた犯罪を解決しようとする刑事にたとえられるかもしれない。証拠はたくさんあるが、刑事も科学者も、実際に何が起きたのかについてのさまざまな仮説を検証するために、証拠を選り分け、整理しなければならない。科学者と刑事が似ている点は、ほかにもある。どちらも、自分の説明を立証しなければならないのだ。刑事は、地方検事、裁判官、そして最終的には陪審員にも、自分の仮説が正しいと納得してもらう必要がある。同様に科学者は、同僚、学術誌の編集者、そして最終的には幅広い分野のほかの科学者に、自分の仮説が暫定的に正しいと納得してもらわなければならない。どちらの場合も求められるのは、「合理的な疑いを超える」証拠までである。そして、新しい証拠によって、刑事も科学者も、それまでの仮説を修正せざるをえなくなることがある。

This self-correcting aspect of science sets it off from most human activities. Scientists spend a great deal of time questioning and challenging one another, which is why applications for project funding—as well as reports for publication in academic journals—go through an extensive process of peer review, which is a careful examination by other scientists in the same field. In science (after formal education and training), everyone is encouraged to improve upon experiments and to challenge any and all hypotheses. New scientists know that one of the best ways to advance their careers is to find a weakness in our current understanding of something and to correct it with a new or modified hypothesis.

科学のこの自己修正の性質が、ほとんどの人間の活動と科学を分けている。科学者は多くの時間をかけて、互いの考えを問い直し、異議を唱える。そのため、学術誌に掲載する論文だけでなく、研究費の申請も、広範な査読を受ける。査読とは、同じ分野のほかの科学者による慎重な審査である。科学では、正規の教育と訓練を受けた後は、誰もが実験を改善し、あらゆる仮説を検討し直すことを奨励される。研究を始めたばかりの科学者も、自分の研究歴を発展させる最良の方法の一つは、現在の理解の弱点を見つけ、新しい仮説や修正した仮説でそれを正すことだと知っている。

This is one of the reasons science has made such dramatic progress. An undergraduate science major today knows more about science and math than did Sir Isaac Newton, one of the most renowned scientists who ever lived. Even in this introductory astronomy course, you will learn about objects and processes that no one a few generations ago even dreamed existed.

これは、科学がこれほど目覚ましい進歩を遂げた理由の一つである。今日、科学を専攻する大学生は、史上最も名高い科学者の一人であるアイザック・ニュートン卿よりも、科学や数学について多くを知っている。この天文学の入門講座でも、ほんの数世代前には、存在すると夢にも思われていなかった天体や過程について学ぶことになる。