とりわけ宇宙物理学ともなれば、「超巨大」から「超微小」までの学術上の開通作業、或いは未知へのトワイライトゾーン探究と称せようか。
此度紹介するのはその宇宙物理学についての概説書である。
『爆発する宇宙 138億年の宇宙進化 戸谷友則・著 講談社Blue Backs』
本書は諸々のスタディから主題まで引用と解説まことに豊富、しかも随所にて高校レベル教養にまで立ち戻った学術的補説もふんだんである。
文面がやや多い反面で図案はやや控え目に抑えられてはいるものの、おのおの文章はどれも短く明瞭におかれており、総じてかなり読み進めやすい新書本 ─ のように見受けられる。
しかしじっさいに手に取って読み進めてみれば…なるほど宇宙物理学はあらゆる物理にわたる超スケール、まさに超過去から超未来まで、ゆえに観測から理論まで多元的に連結図ったおそるべき考察、それゆえ論旨展開が一様単純には呈されないのも当たり前のこと、うぬぅ、これは難しい！
ましてや、章をおうごとに複合的に詳らかにされてゆくこのとてつもない高みと深みに、僕のような多くの学術素人の読者はかなり苦慮するのではなかろうか。
だからこそ本書は、学校理科をとっくに片づけてしまいアハハハな～んだ物理や化学はたかが知れているなァと思い上がっているなまいきな高校生や大学生の諸君に是非ともチャレンジ薦めたい、超難度の入門書なのである。
さて、とりあえずは本書の第１章～第３章あたりまで一気に読みとおしたところで、とくに章立てには拘らず僕なりの要約メモを以下に列記する。
＜燃焼（結合）と質量とエネルギー＞
一般に言う燃焼とは、物質分子における原子核と電子の化学的結合が電荷によって別の組み合わせ結合に変化する反応であり、「化学的燃焼」といえる。
化学的燃焼では原子核と電子の結合時にエネルギーを生成放出し（物が燃える過程）、逆にこれら分離するにさいしてはエネルギーの投入が必要。
一方で、原子核内の陽子と中性子が核力によって電荷を超えて組み変わり別の元素と成る（核融合する）物理反応が「核燃焼」である。
ところが、太陽がその一生のうちに放出するエネルギーなど、超巨大スケールの検証となると、さらに別の科学的論拠も起用され、それが「静止質量エネルギー」。
静止質量エネルギーは相対性理論(E=mc2)によって導かれるもの ─ 或る質量を有する物体につき、その運動エネルギーが0であっても、一方で光速はいつでもどこでも不変であり、ここからこの’質量そのものが有するエネルギー’を定義している。
（わずか質量1kgの物体であっても、その静止質量エネルギーは約 1017 [J] にもなる。）
これら「化学的燃焼（結合）」と「核燃焼（融合）」と「静止質量エネルギー」にてエネルギー大小を比較； スケール関係を明瞭にするため電子ボルト[eV]ベースで表現。
（※なお6.3 x 1018[eV]≒1.00[J]である。）
或る物質にて、電子の化学的燃焼（結合）エネルギーは1[eV]程度。
一方で、これら物質の原子核の陽子と中性子の核燃焼（融合）エネルギーは1メガ[eV]であり、電子の化学的結合エネルギーの1,000,000倍もある。
ところが、これら物質にて（電子の質量はほとんどゼロとして）陽子と中性子の静止質量エネルギーを計算すると1ギガ[eV]、つまり陽子と中性子の核燃焼（結合）エネルギーのさらに1000倍にあたる。
この比較から、それぞれのエネルギー間におけるケタ外れの大小差も分かる。
人類が現時点で認識可能なあらゆる物理現象は「４つの’力'」のいずれかの作用によるものと解釈出来る。
これら４つの力とは、電子や光子の素粒子同士において働く「電磁気力」、原子核における「強い力」、原子核崩壊のさいに働く「弱い力」、そして「重力」。
一般相対性理論によれば、これら力のうち重力だけは質量が本源的に有する時空の歪みエネルギーであり、一方で光速は不変であるので、あらゆる「運動し続ける」物体の速度とエネルギーについて理論的な関係付けがなされたことになる。
一般相対性理論によって、宇宙のあらゆる物質が原初のビッグバン爆発から飛散し続けている’運動の状態’までは説明がつくが、そもそも何故この運動が起こったのか、これがずっと続くのかについては説明しきっていない。
==============================
＜物理エネルギーのスケール＞
以下、尺度の単位は[J]表記。
人類がこれまでに人為によって起こした最大の爆発： 2.17 x 1017 [J]
1961年のソ連による実験水爆’ツァーリ・ボンバ'によるもの。
なお、このエネルギースケールは東京都の１年間の消費電力量とほぼ同じ（※ [Wﾜｯﾄ]を[J] 換算して）
一方で、自然界の爆発現象によるエネルギーはスケール幅がとてつもなく巨大である。
マグネチュード8.0の地震エネルギー： 6.3 x 1016 [J]
これが上記の実験水爆のものとほぼ同じスケール。
なお、東日本大震災時の地震エネルギーはこの10倍のマグネチュード9.0であった。
1991年フィリピンのピナツボ火山大噴火のエネルギーはさらに10倍。
いわゆる火山爆発指数の最大値(8)設定のエネルギースケール： 1021 [J]
ペルム紀に生物種の大絶滅をもたらしたマグマ噴出エネルギー： 1025 [J]
’スーパーブルーム'である。
6500万年前に恐竜種を絶滅させた隕石衝突エネルギー： 6 x 1023 [J]
46億年前に’月を作ることになった’超巨大惑星と地球の衝突エネルギー： 3 x 1031 [J]
太陽の表面で時々起こる’フレア'によって放たれるエネルギー： 1022～1025 [J]
太陽内部が超高温ガスによってプラズマ状態となっており、荷電粒子がほとんど電気抵抗無しに移動、そして磁力線はガスの運動エネルギーによってねじれつつさらに熱エネルギーを生み出しており…こうして太陽表面が’フレア’を起こし、ガスと電磁波と荷電粒子を外部に放出、地球にも届いている。
太陽内部のプラズマによって’毎秒'おこる核融合の出力エネルギー： 4 x 1026 [J] /s
ここで核融合による「核燃焼の効率」、太陽の「質量」、これらによる「静止質量エネルギー」の演繹、それに恒星としての「推定寿命時間」も勘案すると ─
太陽が寿命(100億年)の間に燃焼放出するエネルギー： 1044 [J]
超新星の爆発はその機構で２つに分類出来る。
炭素や酸素の原子核による「熱核融合型超新星」の爆発エネルギー： 1044 [J]
重力エネルギーの解放による「重力崩壊型超新星」の放出可能エネルギー： 3 x 1046 [J]
宇宙最大の爆発と称される「ガンマ線バースト」では、わずか数十秒のガンマ線放射のみで、太陽の静止質量エネルギーの1.6倍のエネルギーが放射されたと記録されている。
典型的な銀河は100億～1000億個の星々から成る。
地球を含む渦巻き銀河の 質量と重力と遠心力による回転運動エネルギー: 1052 [J]
なお、この同じ銀河における暗黒物質（我々が目視出来ない物質）の総質量はこの10倍と想定され、ここにかかる重力とランダム方位の運動まで加味すれば、運動エネルギー総量はさらに1ケタ上がる。
こういう銀河が1000個のオーダーで集まっているのが銀河団であり、宇宙に存在する最大の天体といえ、主に暗黒物質から成り、総質量は太陽の1000兆倍。
この銀河団の運動エネルギー総量： 1057 [J]
宇宙のはじまりから現在までの宇宙の’大きさ’を、膨張距離と構成物質と光速（不変）と光のとりうる経路から推定すれば、464億「光年」の球となり、これが現時点での「観測可能な宇宙」とされている。
ここで暗黒物質まで含めた総物質量と膨張速度（ほぼ光速）から、静止質量エネルギーも運動エネルギーもほぼmc2となる。
この「観測可能な宇宙」のエネルギー総量： 1071 [J]
さらに、宇宙がこれより遥かに巨大であることも理論的には確かである。
==========================
＜膨張し続ける宇宙＞
宇宙誕生時、内部の熱エネルギーがビッグバン爆発し、この熱エネルギーが構成物質の運動エネルギーに転化され、それらあらゆる物質は温度を下げつつ現在まで飛散し続け、こうして宇宙は膨張し続けている。
この’膨張する宇宙’は、我々地球から見た銀河までの距離とこれらの後退速度の比例関係（光の波長変化とドップラー効果）に則って実際に観測されている。
端緒となったのがハッブル＝ルメトールの法則。
現在までの観測機器と技術により、宇宙の’年齢’138億年の算出もなされており、また誕生後数億年から138億年の間における銀河生成と進化のプロセスまでも人類によって直接観測されている。
宇宙誕生時には超高熱状態であったため、光は電子によって錯乱していたが、誕生後わずか38万年の時点で宇宙の温度が3,000[K](絶対温度)にまで下がり、電子が水素原子核と結合し水素原子と化したので、光は錯乱せず直進するようになった。
この時点から発せられた直進光が、現在は「宇宙マイクロ波背景放射」電波として観察されている。
宇宙の絶対温度は現在は2.7[K]（絶対零度ではない）にまで下がっているため、我々が観察出来る電波の波長はずっと長くなっている。
なお、宇宙マイクロ波背景放射の直進する強度は、銀河団を超えて観察してみればどの方位にても同じであり、よって我々が観察するかぎり宇宙はあらゆる処が一様に膨張していることになる。
一般相対性理論によれば、宇宙のあらゆる物質が重力の時空ねじまげエネルギーによって引き合うので、宇宙の膨張はいつかは減速すると説明しうる。
一方では、ビッグバン爆発以前に宇宙の膨張が加速され続けた「インフレーション期」があったはずで、この時点では構成物質が均一密度で凝縮されており、これらが「光速を超えた速度」で飛散していった、との理論付けもある。
これによって、現在の宇宙の遍く処が一様に膨張している理由付けがなされている。
=========================
…… 以上が、本書の第三章まで僕なりに何とかまとめた超概要メモ。
この第三章から続く第四章ではさらに素粒子や反粒子、真空エネルギー密度、アインシュタインによる宇宙定数など概括、とくにp.78にある素粒子の属性と力の一覧分類などは類書を理解する上でのリファレンスとして有用でもあろう。
そして章が進むとともに宇宙と星々の超過去から超未来像へ、宇宙物理学の概説がぐんぐん拡大し、併せて観測実践についても続々と紹介されてゆく。
さて、そもそも本書タイトルはなぜ ’爆発した' ではなく ’爆発する’ 宇宙なのか、なぜ１度限りの過去形ではなく再現性を推す現在形なのか、学生諸君などはこの由あらためて考えてみれば本書の理解もある程度までは進むのではないかと察する。
以上