赤方偏移とは
1912年、天文学者のパーシバル・ローウェルは、若い観測家のベスト・スライファーに命じて、渦巻星雲のスペクトルを取り、それらの光のドップラー偏移を探す仕事を与えました。救急車のサイレンが近づくときと、遠ざかるときでその音の高低が変化して聞こえるように、光のドップラー偏移は、動く物体が発する光のスペクトルのなかに見られる輝線や暗線の位置のずれによって測定されます。光を発している物体が私たちの方へ近づいていれば光のスペクトルは青い方へずれ、遠ざかっていれば赤い方へずれるのです。この偏移の大きさを調べることによって、観測対象の天体が私たちの地球に近づいていくかあるいは遠ざかる運動をしていると、その速さが分かるのです。
相対性理論では、宇宙には絶対静止系など存在せず、全ての系は等しく相対的であると考えています。もし、宇宙の絶対静止系が存在するのであれば、相対性理論自体が修正を必要とされるはずです。
宇宙に絶対静止系が存在するのであれば、その系と、その静止系以外で従来は慣性系と考えられていた系の間には何等かの相違点があるはずです。全く相違点がなく完全に相対的であれば、背景放射などと言う宇宙全体に渡る特別な系は観測できないはずです。この様な絶対静止系こそが真の慣性系であるとすればそれ以外は加速度系ということになります。まだ絶対静止系以外の従来では慣性系と考えられていた系が、どの程度の加速度系になるかは、論理的につきとめなければなりません。これについて更に検討しましょう。
さて、我々は地球の表面に住んでいます。地球は誰もが知っていることですが、ほぼ球形です。我々は球形の表面に住んでいるのです。ほぼ球形であることは人工衛星から見れば一目瞭然ですが、表面に住んでいる我々からは、球面上に住んでいることは、普段あまり認識できないことです。しかし数学的には完全に球面上にへばりついて厚さのない２次元の世界の住民であろうともその曲がりはわかるということが証明されています。これは幾何学の本などによく書いてあることで、簡単にいえば球面上に描かれた三角形の内角の和がどうなるかなどということを調べることによりその曲がり方がわかるのです。ここではこの事については、これ以上詳しくは書きませんが、とにかく２次元の曲がり具合いは、３次元から俯瞰しなくとも、２次元そのもの中でわかるのです。これから類推すれば、３次元世界の曲がり具合いも３次元そのものの中でわかることになります。宇宙がもし曲がって閉じているとすれば、それは宇宙の外からでなくとも、我々にも曲がっていることがわかるのです。
宇宙が有限であれば、その空間は曲がっており、その中を進む光は当然の事ながら、曲がって進む。先ほど言ったようにこの曲がりというものは外から眺めなくともこの宇宙の中自体でも感じることのできるものであり、当然直進すると仮定して導きだした予測とは異なったものになるはずです。ここまで来ればおのずと答えは出て来ます。絶対静止系以外は加速度系であるということと、光は曲がって進むこと、これらから、宇宙の曲率こそが光など従来慣性系とされた運動系の加速度の源であるという結論を下すことができるのです。
さて、先に述べたような赤方偏移が必ず起こるものでしょうか。これが成立するには、いくつかの仮定が存在します。ここで、この仮定自体が妥当性のある仮定であるのかどうかを検討してみましょう。
さて １．についてですが、これは宇宙が私の考えているように、本当に有限で閉じているのかという、宇宙に関する根本的問題であす。これ自体が非常に重要な問題です。私自身としては、これは間違いのないこととして信じていますが、少なくとも宇宙が有限で閉じているという考え自体は突拍子もないことではなく、一般的にも一つの考えとして十分に受け入れられていることです。ここでは宇宙が有限で閉じているものとし推理を進めていくことにしますが、宇宙が有限で閉じていると仮定することによって導かれた赤方偏移が実際の観測データに合致していれば、赤方偏移は、その仮定を支える大きな根拠となるはずです。
さて、実際にはどのように減速するのでしょうか。物質は慣性運動しかしないのであれば、絶対静止系に留まるべきです。しかし、すべての物質が凍りついたように絶対静止系に留まり、決して運動することができないのでしょうか。これは今ある宇宙の姿から考えても明らかにおかしい考えです。普通、運動している物質が急速に停止するにはそれ相当の加速度を必要とします。それに対して宇宙の湾曲によって生じる加速度はごくわずかです。静止系に対してごくわずかの加速度があるという理由で、もっと大きな加速度で絶対静止系に留まろうと減速するのは矛盾があります。絶対静止系にととどまろうとする力は宇宙の湾曲によって生じると同程度の加速度をもってその物質の運動にブレーキをかけるでしょう。
対称性は､物理学では最も重要な概念であると考えられており､実際に､素粒子を表す理論や､その間に働く力は､対称性を取り扱う学問である群論によって理論づけされています｡しかしながら完全な対称性というものは色々な条件下で自発的に破れていきその対称性が限定されたものとなることは良く知られたことです。
さて、この仕事を命じられたスライファーは、アンドロメダ星雲の分光写真を撮影しました。それらの写真は秒速300キロメートルに相当する青方偏移を示していたのです。これは、アンドロメダ星雲が我々の地球に近づいていることを意味していました。その後もスライファーは測定を続け、また他の天文学者も測定し1925年までには全部で４５個の星雲の偏移が測定されました。そして４５個のうち４３個が赤方偏移を示していたのです。もしこれらの偏移がドップラー偏移によるもので。かつ星雲が運動する方向や速度が全く自由なものであるなら、赤方偏移と青方偏移は全く同等に出現しなければいけないはずなのです。４５個の星雲のうち４３個が赤方偏移を示すということは明らかに統計学的には異常です。
やがて、これらの星雲が我々の所属する銀河の外にある別の銀河であることがわかりました。そして、エドウィン・ハッブルはこれら銀河までの距離を測定し、これらの銀河が示す赤方偏移と銀河までの距離が比例関係を示すことを導き出しました。これは今日「ハッブルの法則」として知られています。
もともと、これらの赤方偏移はドップラー偏移を求められるために測定されたものですから、まさしくドップラー偏移を表すものと理論家たちが考えたのは仕方がないことでしょう。赤方偏移がドップラー偏移によるものであり、かつ赤方偏移とその銀河までの距離が比例するのであれば後退速度と距離が比例することになります。これより導かれる答えは、まさしくだれもが知っている膨張する宇宙、ビッグバン宇宙です。銀河の示す赤方偏移と距離の関係は、今日でも精力的に調べられ、今や間違いのないもののとして受けとめられています。多くの人によって、根気よく調べられた観測データは尊重しなければいけません。とすれば、このビッグバン宇宙は絶対に避けることのできない結論なのでしょうか。ここでほとんどの理論家はまんまと宇宙の仕掛けたトリックに引っ掛かってしまっています。そのトリックとは、宇宙の赤方偏移は、もともと星雲の運動を調べるためにドップラー偏移を測定していて発見されたということです。人々は先入観として赤方偏移がドップラー偏移であることを受け入れてしまっています。そしてほとんどの人が、その他の可能性について充分に検討することを放棄してしまったのです。もちろん少数の定常宇宙論を提唱し続ける人々は、ドップラー偏移以外の説明を試みましが、そのどれもがビッグバンを信じる人達を納得させるには至っていません。
距離と比例する赤方偏移がドップラー偏移以外の理由で説明できるのならば、ビッグバンはその土台を完全に失ってしまうことになります。
宇宙の絶対静止系
この事についてここで、アインシュタイン自身が書いた本の中から引用してみましょう。
「ところで、いま地球は太陽のまわりを公転運動しているのだから、１秒間に約30ｋｍの速度で走る車と比べることができる。それゆえ、地球の瞬間的な運動方向が自然法則に入りこみ、したがって物理系の挙動は地球に対する空間的方位によって決まるということになると、これは相対性原理が適用できない場合となろう。なぜなら、地球の公転運動の速度方向は一年たつうちに変化するので、地球が仮想的な系Ｋoに対して一年間を通じて静止していることはできないからである。しかし万全の注意をもってしても、地球上の物理空間のこのような異方性、すなわちそれぞれの方向が物理的に等価でないとすることは、どうしても観測からは出てこなかったのである。これは相対性原理にとっては有利な重大な論拠である。」 （特殊および一般「相対性理論」について Ａ．アインシュタイン著 金子務訳 白揚社刊）
この文書は1916年に書かれ、1917年に初版が出版されています。また、アインシュタイン自身は1955年に没しています。アインシュタインが生きている間には、宇宙に特別な系というものが観測されておらず、従って、地球がその様な特別な系に対して運動しているというような事は観測的事実として存在しなかったのです。アインシュタインは観測的に見つけられなかったということにより相対原理が完全に正しいであろうと仮定したのです。もしそれとは、違った観測事実が示されれば、この相対原理を撤回するかまたは修正したはずです。
ところが、アインシュタインの死後９年たった1964年にペンジアスとウィルソンによって、宇宙の背景放射が発見されています。この背景放射は、あまり意識されていないのかも知れませんが、実はアインシュタインが観測によって発見されなかったとしていた特殊な系なのです。この背景放射は宇宙のあらゆる方向から等しく放射されており、宇宙全体よりやって来ると考えられています。すなわちこの背景放射をなす系は宇宙全体にわたっているのです。この背景放射に対して、運動するとこれは、ドップラー効果によりその背景放射のスペクトルのずれとして測定されます。これを測定することにより、宇宙全体に対してどの様な相対的運動をしているかがわかるのです。実際に詳細にこの背景放射を観測すると、この強度がある方向に強く（放射のスペクトルは青方偏移を示す）、それと180度反対方向では弱い（同じく赤方偏移を示す）ということが確かなデータとして得られています。この観測より我々は背景放射の静止系に対して600キロメートル／秒で運動しているとして理解されています。ただしこれはアインシュタインが考えたような、地球が太陽を回るときの速さ約30キロメートル／秒よりもはるかに速い速度です。これは地球の公転運動だけでなく太陽系や我々の銀河がこの背景放射に対して運動している速度との合成速度を表わしているからなのです。しかしこの運動が観測されたということは、アインシュタインが観測されなかったとした宇宙の異方性を発見したことになるのです。この背景放射は､アインシュタインが相対性理論でその存在を否定した光の媒体のエーテルによくにており､現代のエーテルとも呼ばれています｡つまり背景放射が宇宙の絶対静止系として存在しており、厳密に言えばこれ以外の系は正確には慣性系とは言えないことになるのです。
この背景放射の存在は、相対性理論にとって、彼自身が重大な論拠と言っている宇宙の完全な当方性を覆す致命的な観測事実です。それにもかかわらず、この事についての論評は、全く見たことがありません。ある理論の重大な論拠が崩れた場合、すみやかにその理論は捨て去られるか、または修正されるべきです。背景放射の存在は、相対性理論の修正を必ず必要とするものなのです。アインシュタインが生きていれば、必ずこの事を問題としたはずです。しかしながら、この発見がアインシュタインの死後であったためか、誰もこれを相対性理論を見直すべき事実として捉えていません。
相対性理論はかなり認められた理論で、特に特殊相対性理論は実際上にも役に立つ理論として、今日では使われています。それは、ニュートン力学が相対性理論後も一般の力学の問題においては、役に立つ理論であるのと同様であると思われます。相対性理論の考え自体が全く否定されるものではありません。おそらく、ニュートン力学同様に、現在の相対性理論は、その適応範囲に限界があるのでしょう。その限界がどのようなものであり、そのために必要とする修正とはどのようなものであるかを探る必要があります。
マッハ原理と赤方偏移
マッハ原理によれば宇宙の法則は宇宙全体の構造で決まるのですが、私はこの加速度も宇宙全体の構造で決まると考えます。宇宙が有限で閉じていると考えれば、宇宙の曲率半径というものが存在するはずです。（この宇宙が有限であるということの理由については他の章において検討を加えているので参照してください。）この曲率半径とこれら系の加速度に関係があるのです。
宇宙の湾曲は観測可能か
宇宙が有限と仮定すると、宇宙空間は湾曲していることになります。そこを運動する光にとってもその曲がりというものはもちろんわかるわけですから、何等かの影響が与えられるはずです。宇宙が有限であったとしても、非常に大きいものであるから、短い距離であればその曲率が極めて小さいために影響はわかりにくいでしょう。しかし宇宙全体の大きさと比べることができるほどの距離においてはその効果というのは明白になる可能性はあります。
光は曲がりながら宇宙の中を進み赤方偏移を起こす
宇宙の曲率半径をＲとすると、その中を速度ｖで運動する物質の加速度は、半径Ｒの円周上を運動する物質の加速度を考えるのと同じであり、
の加速度を持つのです。もちろんこの速度ｖは背景放射に対する速度です。これで、絶対静止系以外の系における加速度がきちんとわかった事になります。なんと簡単でしょう。もちろん光は絶対静止系に対しておおよそ光速度Cで運動するのですから、
の加速度運動をしていることになります。
どこからもエネルギーを補充されることのない加速度運動はやがて力を失いその運動エネルギーを減少させ、宇宙空間を旅する間に赤方偏移となって観測されるはずです。
新しい赤方偏移の考え方の問題点
以下にこのような赤方偏移が導き出されるための仮定を箇条書にしてみました。
１．宇宙が有限で閉じている。
２．宇宙空間の歪みが宇宙の中でわかる。
３．宇宙が閉じているために光の運動もその湾曲にそって加速度運動をし、そのためにエネルギーが失われる｡
２．については、これは数学上では既に決着のついている問題です。３次元の空間それ自体の中でその３次元の空間の曲がりは観測可能であると考えるのが数学上の常識です。
３．については、私が初めて示した考えであり、これが成立するかどうかは今まで検討されたことはないはずです。有限な回転半径を持つ物質の回転運動がどんどんエネルギーを放出しその運動エネルギーを失うというのは、連星となった中性子星などでは問題にされています。しかしここで言及するような宇宙的規模でのそのような加速度運動とそれによる運動エネルギーの喪失という考えに至った人はいません。
宇宙の絶対静止系が存在するという観測的事実からすれば、それ以外の従来慣性系と考えられていた系のすべてはこの絶対静止系と区別されなければいけません。そして、絶対静止系が真の慣性系である限り運動する物質のすべてはこの真の慣性系に留まろうとするはずであり、この事により絶対静止系とそれ以外の系は区別されるのです。つまり、宇宙の背景放射に対して運動を行っている物質は次第に背景放射に対して静止した状態に近づくように減速するはずです。
宇宙を運動する物質はどのようにエネルギーを失うのか
この考えを別の各度から検討してみましょう。 慣性質量とは一体何でしょうか。すべての物質は固有の性質として慣性質量をもっています。慣性質量は静止系にとどまろうとする性質です。物質を動かそうと力を加えれば物質は必ずその慣性質量に応じた力で反対側に押し返そうとします。この押し返す力とは物質の加速度αに慣性質量Ｍをかけたものです。一般的にはこの力は物質が押して来た力に対して反作用として全く逆の方向に働くと考えられるわけです。ここでこの概念を広げて考えてみましょう。「宇宙の静止系に対して物質が加速度運動をするとき、宇宙よりこの物質に対してその加速度運動量と慣性質量をかけ合わせた力が静止系にとどまらせようとする方向に働く。」このように考えるわけです。この考え自体は今までのニュートン力学となんら矛盾するものではなく、ほとんどニュートン力学そのものです。
これではあまりにも当たり前に思われるかもしれませんが、この考えを宇宙の湾曲に沿って運動する物質の運動に適用してみましょう。
物質が宇宙の絶対静止系に対して運動すると、宇宙の湾曲の曲率半径によって加速度運動をしていることになります。この加速度運動に対して宇宙は宇宙の絶対静止系にとどめるように、その加速度と物質の慣性質量をかけ合わせた力を物体に与えます。この力の方向は絶対静止系にとどめようとする力ですから、その物質の運動とは逆方向に働く事になります（加速度の逆方向ではありません）。今までのニュートン力学の範囲内では、常に加速度運動方向の180度反対方向に反作用として働きます。しかし、拡張された慣性質量の概念は必ずしも我々の考えることのできる反対方向だけに反作用が働くわけではないのです。ここで考えた加速度運動の方向が３次元の世界では想像できない方向ですから、加速度運動に対してどちらの方向になるかなどとはもちろん想像できないのです。拡張された力学の概念は、運動する物質がその速度が減ずる方向に宇宙全体から力が働くことを要請するのです。
アインシュタインが光速度がすべての慣性系で一定であることと全ての慣性系が同等であると考えた事より相対性理論を導きだしたように、宇宙が有限で絶対静止系が存在すると考える限り、この結論に達せざるを得ないと私は考えています。 さてこのように考えると、宇宙を飛び交う光はその運動とともにエネルギーを失って行くことになります。進む距離に応じてもともと持っていたエネルギーは減少し、遠い距離よりやって来た光は疲れ果てたかのように小さいエネルギーへと変わってしまいます。これはまさしく赤方偏移となって観測されるはずです。何と宇宙が有限で閉じているという仮定は、遠くからやってくる光の赤方偏移を必然的なものとしてしまい、決して宇宙の膨張などを必要とはしないのです。ここまできて、読者の方はおわかりになったでしょう。
背景放射の発見はビッグバンモデルを確かなものにするどころか、ビッグバンモデルの源となった遠い銀河からやってくる光の赤方偏移のドップラー偏移としての解釈を危うくするものなのです。
対称性と宇宙
もし宇宙に存在する物質の運動が完全に対称性を保っているのであれば、ありとあらゆる物質が、ありとあらゆる方向と速さで運動しているはずです。しかし実際はそうではありません。速さには上限があるし宇宙に存在する天体は、お互いの存在すべき位置を守っておりまるで完全に静止しているかのように見えます。なぜこのような状態にあるのかと言えば、それは宇宙が有限でありその中に質量を持った物質が存在するからです。運動の完全なる対称性というものは、物質の存在で自発的に破れてしまい、絶対静止系というものが形成されているのです。質量が本質的に持っている重力という力は引き合うことにより相手の動きを束縛するかのように働く力ですからこれは当然のなりゆきです。慣性質量と重力質量が等しいのは只の偶然ではありません。重力が相手の動きを束縛し合い運動の完全な対称性を破り背景放射という絶対的静止系つまり慣性系をを形作るから等しいのです。ここで注意しなければいけないのは、宇宙が有限であれば運動量の平均が存在し絶対静止系を形成しうるのですが、もし無限であるならば平均は存在し得ず絶対静止系は形成できないということです。従って今あるような宇宙というものは有限でなければならないのです。