第29章ビッグバンThe Big Bang

Despite our uncertainties, we must admit that the picture we have developed about the evolution of our universe is a remarkable one. With new telescopes, we have begun to collect enough observational evidence that we can describe how the universe evolved from a mere fraction of a second after the expansion began. Although this is an impressive achievement, there are still some characteristics of the universe that we cannot explain. And yet, it turns out that if these characteristics were any different, we would not be here to ask about them. Let’s look at some of these “lucky accidents,” beginning with the observations of the cosmic microwave background (CMB).

不確かな点があっても、宇宙の進化について作り上げてきた描像が、目覚ましいものであることは認めなければならない。新しい望遠鏡によって、膨張が始まって1秒もたたない時点から宇宙がどう進化したかを述べられるほど、観測の証拠が集まり始めている。これは大きな成果だが、宇宙にはまだ説明できない性質がある。しかも、それらが少しでも違っていたら、それを問う私たちはここにいないことになる。そんな「幸運な偶然」のいくつかを、宇宙マイクロ波背景放射CMBの観測から見てみよう。

As we described in this chapter, the CMB is radiation that was emitted when the universe was a few hundred thousand years old. Observations show that the temperature of the radiation varies from one region to another, typically by about 10 millionths of a degree, and these temperature differences signal small differences in density. But suppose the tiny, early fluctuations in density had been much smaller. Then calculations show that the pull of gravity near them would have been so small that no galaxies would ever have formed.

この章で述べたように、CMBは宇宙が数十万歳だったときに放たれた放射である。観測によれば、その温度は領域ごとに、典型的には約100万分の10度だけ変わる。この温度差は、小さな密度差を示す。もし初期の微小な密度ゆらぎが、もっとずっと小さかったらどうだろうか。計算によれば、その周囲の重力は弱すぎて、銀河は一つもできなかっただろう。

What if the fluctuations in density had been much larger? Then it is possible that very dense regions would have condensed, and these would simply have collapsed directly to black holes without ever forming galaxies and stars. Even if galaxies had been able to form in such a universe, space would have been filled with intense X-rays and gamma rays, and it would have been difficult for life forms to develop and survive. The density of stars within galaxies would be so high that interactions and collisions among them would be frequent. In such a universe, any planetary systems could rarely survive long enough for life to develop.

では、密度ゆらぎがずっと大きかったらどうだろうか。非常に高密度の領域が凝縮し、銀河や恒星を作らず、直接ブラックホールへ崩壊した可能性がある。そのような宇宙で仮に銀河ができても、空間は強烈なX線やガンマ線に満ち、生命の発達や生存は難しかっただろう。銀河の中の恒星の密度も極めて高くなり、相互作用や衝突が頻繁に起こったはずだ。惑星系が、生命の発達に十分な長さだけ持ちこたえられることは、まれだっただろう。

So for us to be here, the density fluctuations need to be “just right”—not too big and not too small.

したがって、私たちがここにいるためには、密度ゆらぎは大きすぎず、小さすぎず、「ちょうどよい」必要がある。

Another lucky accident is that the universe is finely balanced between expansion and contraction. It is expanding, but very slowly. If the expansion had been at a much higher rate, all of the matter would have thinned out before galaxies could form. If everything were expanding at a much slower rate, then gravity would have “won.” The expansion would have reversed and all of the matter would have recollapsed, probably into a black hole—again, no stars, no planets, no life.

もう一つの幸運な偶然は、宇宙が膨張と収縮の間で、精妙に釣り合っていることだ。膨張はしているが、とてもゆっくりである。もっと速く膨張していたら、銀河ができる前に、物質はすべてまばらになっただろう。逆にもっと遅く膨張していたら、重力が「勝った」はずだ。膨張は逆転して全物質が再び潰れ、おそらくブラックホールになっていただろう。ここでも星はなく、惑星はなく、生命もない。

The development of life on Earth depends on still-luckier coincidences. Had matter and antimatter been present initially in exactly equal proportions, then all matter would have been annihilated and turned into pure energy. We owe our existence to the fact that there was slightly more matter than antimatter. (After most of the matter made contact with an equal amount of antimatter, turning into energy, a small amount of additional matter must have been present. We are all descendants of that bit of “unbalanced” matter.)

地球で生命が発達したことは、さらに幸運な一致に依存している。もし初めに物質と反物質が正確に同じ割合で存在していたら、すべての物質が対消滅し、純粋なエネルギーへ変わっただろう。私たちが存在するのは、反物質より物質が少しだけ多かったおかげである。大部分の物質が等量の反物質と出会ってエネルギーへ変わった後、余分な物質が少し残っていたはずだ。私たちは皆、そのわずかな「釣り合いの取れていない」物質の子孫なのである。

If nuclear fusion reactions occurred at a somewhat faster rate than they actually do, then at the time of the initial fireball, all of the matter would have been converted from hydrogen into helium into carbon and all the way into iron (the most stable nucleus). That would mean that no stars would have formed, since the existence of stars depends on there being light elements that can undergo fusion in the main-sequence stage and make the stars shine. In addition, the structure of atomic nuclei had to be just right to make it possible for three helium atoms to come together easily to fuse carbon, which is the basis of life. If the triple-alpha process we discussed in the chapter on Stars from Adolescence to Old Age were too unlikely, not enough carbon would have formed to lead to biology as we know it. At the same time, it had to be hard enough to fuse carbon into oxygen that a large amount of carbon survived for billions of years.

核融合反応が実際より少し速く進んでいたら、初めの火の玉の時代に、全物質は水素からヘリウム、炭素、そして最も安定な原子核の鉄にまで変わっていただろう。すると、星はできなかったことになる。星が存在するには、主系列段階で核融合し、星を輝かせる軽い元素が必要だからだ。さらに、原子核の構造も、三つのヘリウム原子が容易に集まって、生命の基礎である炭素へ融合できるよう、ちょうどよくなければならなかった。「恒星の青年期から老年期まで」で論じたトリプルアルファ反応が起こりにくすぎれば、私たちの知る生命につながるだけの炭素は作られなかった。同時に、炭素から酸素への融合は十分に起こりにくく、大量の炭素が何十億年も残れる必要があった。

There are additional factors that have contributed to life like us being possible. Neutrinos have to interact with matter at just the right, albeit infrequent, rate. Supernova explosions occur when neutrinos escape from the cores of collapsing stars, deposit some of their energy in the surrounding stellar envelope, and cause it to blow out and away into space. The heavy elements that are ejected in such explosions are essential ingredients of life here on Earth. If neutrinos did not interact with matter at all, they would escape from the cores of collapsing stars without causing the explosion. If neutrinos interacted strongly with matter, they would remain trapped in the stellar core. In either case, the heavy elements would remain locked up inside the collapsing star.

私たちのような生命を可能にした要因は、ほかにもある。ニュートリノは物質と、まれではあっても、ちょうどよい頻度で相互作用しなければならない。超新星爆発は、崩壊する恒星の中心核から逃れたニュートリノが、周囲の外層にエネルギーの一部を渡し、それを宇宙へ吹き飛ばすことで起こる。その爆発で放出される重い元素は、地球の生命に不可欠な材料である。ニュートリノが物質とまったく相互作用しなければ、爆発を起こさずに中心核から逃げ去る。強く相互作用すれば、中心核に閉じ込められたままになる。どちらの場合も、重い元素は崩壊する星の中に閉じ込められる。

If gravity were a much stronger force than it is, stars could form with much smaller masses, and their lifetimes would be measured in years rather than billions of years. Chemical processes, on the other hand, would not be sped up if gravity were a stronger force, and so there would be no time for life to develop while stars were so short-lived. Even if life did develop in a stronger-gravity universe, life forms would have to be tiny or they could not stand up or move around.

重力が今よりずっと強い力だったら、はるかに小さな質量でも星ができ、その寿命は数十億年ではなく、年単位になっていたかもしれない。重力が強くなっても化学反応は速くならないので、そんな短命な星の時代には、生命が発達する時間がない。強い重力の宇宙で、仮に生命が生まれても、立ったり動いたりできるようになるには、体は極めて小さくなければならない。