相対論と宇宙
🪐 はじめに
本記事「相対論と宇宙」では、20世紀初頭に成立した相対性理論が、天文学と宇宙観をどのように根底から書き換えたかを扱う。 ここで重要なのは、相対論が単なる「新しい理論」ではなく、観測技術・数学・物理学という当時利用可能だった道具群が、ついに“宇宙そのもの”を理論の対象に押し上げた転換点であったという点である。
🌌 相対論登場前夜の宇宙像
🔭 観測技術の到達点と限界
19世紀末から20世紀初頭にかけて、天文学はすでに以下の成果を積み重ねていた。
- 銀河（当時は「星雲」）の実体が恒星の巨大集団であること
- 分光学により、天体の運動（ドップラー効果）が測定可能になったこと
- 写真乾板による長時間露光で、肉眼を超える宇宙構造が記録できたこと
しかし、宇宙全体がどうなっているかという問いには、依然として答えがなかった。
当時の天文学は「どこまで見えるか」については進歩していたが、「宇宙全体がどう振る舞うか」を記述する理論的言語をまだ持っていなかった。
🧮 ニュートン力学の限界
⚙️ 万有引力が抱えた矛盾
ニュートン力学と万有引力は、太陽系スケールでは驚異的な成功を収めていた。しかし、
- 重力は瞬時に伝わる（無限速度）
- 空間と時間は絶対的
- 光の速度は観測者によらず一定である（実験事実）
といった点で、電磁気学や実験結果と整合しなくなっていた。
万有引力は「なぜそうなるか」を説明しない理論であり、宇宙全体を扱うには理論的な脆さを抱えていた。
🧠 相対性理論の誕生
👤 アルベルト・アインシュタインの登場
1905年、アインシュタインは特殊相対性理論を発表する。 これは観測技術の発明ではなく、思考実験と数学による理論的革命だった。
特殊相対性理論の核心
- 光速度はすべての慣性系で一定
- 時間と空間は観測者によって異なる
- 質量とエネルギーは等価（E=mc²）
特殊相対論は、観測事実を一切捨てずに、それまでの物理学の前提だけを入れ替えることで成立した。
🌍 一般相対性理論と重力の再定義
🧲 重力は「力」ではない
1915年、一般相対性理論が完成する。 ここで重力は、もはや「引力」ではなく、
質量とエネルギーが時空を曲げ、その曲がりに沿って物体が運動する現象
として再定義された。
必要だった新しい道具
- リーマン幾何学（曲がった空間の数学）
- テンソル解析
- 微分幾何学
一般相対論は、天文学が初めて高度な純粋数学を前提条件として要求した理論だった。
🔭 相対論が観測で検証された瞬間
🌑 1919年の皆既日食観測
イギリスの天文学者 アーサー・エディントン は、 皆既日食中に恒星の位置が太陽近傍でずれることを観測し、重力による光の曲がりを確認した。
この観測により、一般相対論は数学的仮説から観測科学へと昇格した。
🌠 相対論が開いた「宇宙論」
🌀 宇宙全体を方程式で扱う
一般相対論の方程式は、宇宙全体を解として持つことができる。 これにより初めて、
- 宇宙は静的か、動的か
- 膨張するのか、収縮するのか
- 始まりや終わりはあるのか
といった問いが、哲学ではなく物理学の問題になった。
この段階では、観測データがまだ乏しく、理論が先行しすぎていたことも事実である。
🧩 まとめ：相対論がもたらした本質的転換
- 重力は「力」ではなく「時空の幾何」になった
- 宇宙は背景ではなく、物理法則そのものの対象になった
- 天文学は「天体の学問」から「宇宙構造の物理学」へ移行した
相対論以降、宇宙論は直感だけで理解できる領域を完全に超えた。ここから先は、理論と観測の両輪が不可欠となる。
次章では、この相対論的枠組みの中から生まれた 「ビッグバン宇宙論」 を扱う。 宇宙に「始まり」があるという考えが、どのように科学として成立したのかを見ていく。