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宇宙(うちゅう、Universe, Cosmos)とは、

# 広義には、森羅万象(あらゆる物事)を含む全ての存在。天地の全体、「世界」の意味。

# 「コスモス」。哲学や宗教など、何らかの観点から見て、秩序をもつ完結した世界体系。

# 狭義には、天文学的・物理学的にみた「宇宙」。この意味では、「観測可能な宇宙」を指すこともあり、「観測可能な空間」の外側に広がる空間的に繋がった広大な宇宙全体を指すこともある。

# 宇宙の中でも、特に地球寄りの空間を除外したもの。英語outer space「宇宙空間」の意味。地球の大気圏外の空間。

# 地球の地上約100km以上、上空の空間のこと国際航空連盟、NASA等の諸活動を考慮した便宜的な定義

本項では主に、3. の天文学的・物理学的に見た宇宙について解説する。

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◆ 意味

「宇宙」という言葉の確定した起源や意味は不明だが、次のような説がある。

・ 「宇」は「天地四方上下」(つまり上下前後左右、三次元空間全体)「宙」は「往古来今」(つまり過去・現在・未来、時間全体)を意味し、「宇宙」で時空(時間と空間)の全体を意味する(漢代の書物・「淮南子斉俗訓」)。

・ 「宇」は「天」、「宙」は「地」を意味し、「宇宙」で「天地」のことを表す。

また、それぞれの観点から見た場合の「宇宙」の定義には、以下のようなものがある。

哲学的・宗教的観点から見た場合、宇宙全体の一部でありながら全体と類似したものを「小宇宙」と呼ぶのに対して、宇宙全体のことを「大宇宙」と呼ぶ。

天文学的観点から見た場合、「宇宙」はすべての天体・空間を含む領域をいう。銀河のことを「小宇宙」と呼ぶのに対して「大宇宙」ともいう。

一説には観測できる領域は宇宙の地平線の内側に限定されるが、大宇宙はそれよりはるかに大きいと考えられている。

物理学的観点から見た場合、「宇宙」は物質・エネルギーを含む時空連続体のまとまりである。

現代物理学における「宇宙」は、物理学的な「世界」全体ではなく、生成・膨張・収縮・消滅する物理系の一つである。理論的には無数の宇宙が生成・消滅を繰り返しているとも考えられている。

「地球の大気圏外の空間」という意味では、国際航空連盟(FAI)の規定によると高度100km以上のことを指す。アメリカ軍では高度50ノーチカルマイル(92.6km)以上の高空を「宇宙」と定めている。

◆ 宇宙の年齢

2003年にアメリカ航空宇宙局(NASA)が発表した宇宙背景放射観測衛星・WMAP の観測結果では、宇宙は約137億年前に生まれたと推定されている。

◆ 宇宙の端から端までの距離

宇宙という言葉の定義は、地球、それを含む太陽系、それを含む銀河系―と、あらゆる天体の存在する空間、存在し得る限りのすべての物質を含む空間のことである。もし、宇宙の端というものが存在するとすると、それが端なのだから端の向こう側は宇宙ではない。しかし、定義より、それも宇宙であるという矛盾が生じるため、宇宙に端は存在し得ない。

◆ 宇宙の大きさ

地球上から見ることができる宇宙の大きさとは、我々人間が物理的に観測可能な宇宙の時空の最大範囲を指す。宇宙は膨張し続けているため、宇宙の大きさを表現するにはいくつかの単位がある。距離測度()を参照してください。

地球から、人類が光を含む電磁波により観測可能な宇宙の果てとは、我々が観測できる光のうち、最も古い時代に光が放たれた空間を示す。この空間から光が放たれたとき、つまり約137億年前(宇宙の晴れ上がり直後)この空間は地球がある位置から地球を中心とする全方向に宇宙論的固有距離において約4000万光年離れたところにあった。そしてこの空間は当時地球の位置から光の数十倍の速度ここでいう「速度」の大きさとは地球のある位置から対象までの宇宙論的固有距離を宇宙時間で微分したものである。以下、「宇宙の大きさ」の項目における「速度」および「速さ」はこの定義に準ずる。で遠ざかっていた。この空間までの現在の距離である共動距離 () は、約470億光年470億光年先の空間は現在における粒子的地平面である。

と推定されている。[外部リンク] 「宇宙図の見方」(国立天文台)宇宙の晴れ上がりの直後から約137億年の間に、宇宙は約1100倍程度膨張したと考えられる。この空間は現在、光速の約3.5倍の速度で地球から遠ざかっており、宇宙の膨張は空間自体の膨張であるため、光速を超えることも可能であるかつ宇宙が生まれてから現在に至るまで常に超光速を保っている。つまり我々が現在電磁波によって観測できる天体の中には、その天体が生まれてから現在に至るまで常に超光速の後退速度となるものが存在する。

天体から放たれた光が地球にたどり着くまでの時間に光速をかけたものは光行距離 () とよばれる。「光行距離」は現代中国語での表現。日本語ではまだLight travel distanceの定訳はない。なお中国語でもComoving distanceの訳語は「共動距離」である。これは光が地球に届くまでの間に、光の旅した道のりを表す。光行距離では、電磁波により観測される宇宙電磁波による観測に制限されない、観測可能な宇宙との違いに注意。の果てから地球までの光の旅した道のりは約137億光年と推定される。これは光速に宇宙の年齢をかけたものだが、この値は先に述べた2つの距離(470億光年、4000万光年)と値が異なる。なぜならば、光が地球に届く間に宇宙が膨張し、そのため光の道のりが延び、また光を放った空間が遠ざかるからだ。つまり光行距離はある時刻における空間上の2点間の距離を指し示すものではない。天文学では光行距離を天体までの距離とみなすことが多いが、それは現在の天体までの距離や、天体が光を放ったときの天体までの距離を示すものではない。それはあくまで、我々に届く光が旅した道のりである。

まとめると、今我々が見ることができる最も背後にみえる光は、約137億年前に約4000万光年離れた空間から放たれた光である。そしてその空間は現在470億光年先にあり、光は137億年かけて137億光年の道のりを旅してきたということである。わずか4000万光年の距離を光が進むのに137億年もの時間を費やしたのは宇宙の膨張が地球への接近を阻んだためである。これは、流れの速い川を上流へ向かう船がなかなか前に進めないことと似ている。また、宇宙の膨張は一般相対性理論の範疇であるため、膨張により地球を基点としたときの、地球から離れた場所にある光の速度が変化しても特殊相対性理論における「光速度不変の法則」と矛盾しない。

我々の観測可能な領域を超える宇宙は、共動距離的な意味の場合、インフレーション理論に基づき、より広大であろう(光年単位を用いても億・兆といった日常生活で用いる数では表現できず、10³⁰光年等といった指数表記が必要な大きさ)と予想されているが、いまだその大きさが有限なのか無限なのかはわかっていない。

また光行距離的な意味では、137億光年以上の距離では宇宙の晴れ上がり以前となるため光が直進できず、地球への旅ができない。つまりそのような距離そのものが存在しないことになる。

◆ 宇宙の膨張

宇宙は膨張を続けていることが分かっている。1929年にエドウィン・ハッブルが遠方の銀河の後退速度を観測し、距離が遠い銀河ほど大きな速度で地球から遠ざかっていることを発見した(ハッブルの法則)。

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