宇宙は巨大な3次元のドーナツ型であるという仮説
 宇宙の端っこはどうなっているのだろう?そもそも端っこなんてあるのだろうか?眠れない夜に考えるにはもってこいのテーマなのだが、宇宙の果てに行きつくことは到底不可能なので様々なデータから仮説を導き出すしかない。

 『airXiv』(6月24日投稿)で閲覧できる査読前の論文によると、宇宙はドーナツのような形をしている可能性が高いと予測されている。更に宇宙の大きさは有限で、観測可能な宇宙の3、4倍くらいであるという。

 ってことは、宇宙で一方向へひたすら真っ直ぐ進めば、いつかは同じ場所に戻ってくることも可能で、少なくとも迷子になることはなさそうだ。
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宇宙ってどんな形?

 そもそも宇宙とはどんな形をしているのか? 天文学者じゃなくても興味深い問いだ。現在、可能性として考えられるのは「平坦な宇宙」と「閉じた宇宙」と「開いた宇宙」だ。

 2本の線を平行に引いてみたとしよう。平坦な宇宙では、並行して引かれた線は、どこまで行っても並行なままだ。ところが閉じた宇宙では、奇妙なことに平行線はどこかで交わる。また開いた宇宙ならばそれが離れていく。

 面白いことに、こうした性質はそれぞれの宇宙の運命をも決めている。平坦な宇宙と開いた宇宙なら無限に膨張する。一方、閉じた宇宙ならいつかは崩壊してしまう。

 そして、これまでの観測からは、私たちが暮らすこの宇宙は平坦な宇宙であることがわかっている。だから、今の宇宙はいつまでも膨張し続ける。

 だがこれは幾何学的な話である。
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photo by Pixabay

トポロジーというもう1つの視点

 もう1つ、「位相幾何学(トポロジー)」という視点がある。この視点から見てみれば、幾何学のルールの範囲内で、また別の宇宙の形を考えてみることができる。

 今度は1枚の紙を想像してほしい。ぱっと見、まっ平だ。その上に平行な線を引けば、どこまでも平行だろう。

 では、紙をくるっと丸めて端と端をつなぎ、筒にしてみよう。それでも平行な線は、やはりいつまでも平行だ。

 さらに筒の端と端をつなぎ合わせてみる。するとドーナツのような形が出来上がる。だが、それでも平行な線は平行だ。形は変わったが、幾何学のルールは破られていない。
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photo by Pixabay

宇宙の真の姿を知るには?

 完全に平坦な宇宙は無限に広がる。しかし平坦であっても、先程の紙のように位相幾何学的につながってループする宇宙は有限で、少なくとも理論上は、その大きさを測ることだってできる。

 この宇宙が連結してループしているかどうかなど、一体どうすればわかるのだろうか? これまで宇宙は幾何学的には計測されてきた。だが、そこから位相幾何学的な形を知ることはできない。

 ウルム大学(ドイツ)とリヨン大学(フランス)の研究グループが注目したのは、「宇宙マイクロ波背景放射(CMB)」だ。これは宇宙の誕生からわずか38万年後に放たれたとされる光で、ビッグバン直後の宇宙を知る手がかりと考えられている。

 その当時、宇宙は今よりも100万分の1ほど小さかった。もしも宇宙が本当に連結しているのならば、そうしたまだ小さな宇宙では観測可能な範囲内(宇宙の膨張は遠く離れるほど速くなる。光速より速く膨張するところからは地球まで光が届かないので、観測できない)でくるりとループしていた可能性が高い。

 一方、現在では、膨張のせいでループのスケールが観測可能な範囲を超えている可能性が大だ。だとすれば、現実にそれを直接目にすることは難しい。

 しかし初期宇宙の様子を伝えるCMBには、宇宙の形を示すヒントが隠されているようだ。それはCMBの温度の乱れ(専門的には「摂動」という)だ。もしも私たちの宇宙の1次元以上が端と端で連結しているのなら、温度の乱れが小さかった頃の宇宙のループ以上に大きくなることはない。

 つまり、もし乱れに大きさの限度があるのならば、ここから宇宙の位相幾何学的な構造を知ることができるかもしれないということだ。
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ブランク衛星が撮影した、宇宙最古の光である宇宙マイクロ波背景放射 / image credit:

宇宙の大きさには限りがあり、それはドーナツ型をしている

 そこで研究グループは、いくつかの宇宙の形を想定し、そこではCMBの乱れがどのようになると考えられるのかシミュレーションで予測。それを実際のCMB観測データと比較してみることにした。

 その結果、一般に想定されている無限の宇宙よりも、ドーナツ型の有限宇宙の方が観測データによく当てはまることがわかったという。

 中でも特によく当てはまったのは、実際のサイズが観測可能な宇宙の3、4倍ほど大きな宇宙であったそうだ。

ドーナツ型の宇宙では、一周して戻ってこられる

 宇宙がドーナツ型ということはループしているということで、同じ方向へずっと移動し続ければ、ぐるっと周ってまた同じ場所に戻ってくるということだ。

 ただし、これはあくまで理論上の話だ。観測可能な宇宙の外側では、空間が光よりも速く膨張している。そうした領域では膨張速度よりも速く移動することができないので、現実にはいつまでたっても1周することはできない。

 ちなみに別の研究グループによる宇宙マイクロ波背景放射の分析でも、宇宙は風船のようにループしているという結果が得られている。

References:Our universe might be a giant three-dimensional donut, really. | Live Science / written by hiroching / edited by parumo
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コメント

1

1. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:10
  • ID:vZ7PHkWb0 #

宇宙が仮にドーナツ型だったとしてその宇宙の外側ってどうなるの?

2

2. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:29
  • ID:0d4ktvlI0 #

ドラクエと同じか。

3

3. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:35
  • ID:0VoZ0Tqt0 #

ポアンカレ予想でなにか言ってなかったっけ?

4

4. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:50
  • ID:jGQGRSic0 #

ゲームのマップで良くあるやつね

5

5. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:52
  • ID:KbmTeU7P0 #

で、「ドーナッ」てんの?

6

6. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:53
  • ID:DlLk9mA90 #

ポアンカレ予想(最終的にペレルマン博士が解決)が実際の宇宙とリンクしたのかな?

7

7. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 20:59
  • ID:SbrkFFgG0 #

ポンデリングにして下さい

8

8. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 21:03
  • ID:EcS29wUO0 #

テレビゲームの世界観は正しかった

9

9. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 21:03
  • ID:SbrkFFgG0 #

一周回って〜 元の位置〜〜〜 父(乳)帰るやおまへんかぁ〜〜 いや、ほんまぁ〜〜♪

10

10. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 21:05
  • ID:ZZbLXU1W0 #

ドラクエ時空だとするとますます宇宙シミュレーション仮説を後押しする材料が増えることになるな

11

11. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 21:09
  • ID:IjQjJEKQ0 #

世界ドーナツ型説はすでにドラクエの地図で立証されている

12

12. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 21:25
  • ID:71UOgyp50 #

三次元の人間がどこまで観測研究出来るんだろうか

13

13. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 22:24
  • ID:ictFCwUn0 #

※5
わっからない

14

14. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 22:26
  • ID:whGrg4qV0 #

メビウスの輪は科学的にどう検証されてるんだ??

15

15. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 22:59
  • ID:R..jhtHJ0 #

※1
まず宇宙原理という仮定があって、宇宙には端っこのような特別な場所はないとされている。
これを満たす空間を考えてみるのだが、3次元だと理解し難いので2次元で考える。
一つ思い浮かぶのは、球体の表面のような世界だ。どこまで行っても端はなく、まっすぐ進めばループする。これが閉じた世界。
他にも、無限に続く平面というのも考えられる。これが平坦な世界。
開いた世界の場合は鞍型なんかになるが、実質平坦な世界と同様に見える。
閉じた世界には派生もあって、これがドーナツ型(正確にはドーナツの表面)。穴はあるが、端はない。

で、3次元に戻って、我々の宇宙がどんな形をしているかだが、今挙げた2次元世界を3次元に変換すればある程度予想がつく。
4次元球の球面、無限に続く3次元空間、4次元鞍形の表面、4次元ドーナツの表面。

つまり、ここでドーナツ型と言っているのは便宜的なもので、実際は4次元ドーナツだから3次元空間をどこまで進んでも外はないよ。

16

16. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 23:02
  • ID:1TFJXJJy0 #

※1
昔テレビであほな科学者がドヤ顔で「それはあなたが認識出来ないので存在しません(キリリッ」とか屁理屈こねてたよ

17

17. 匿名処理班

  • 2021年07月23日 23:42
  • ID:Q2fXTuP70 #

元に戻ってくるってことは実質0ってことだよね?
つまりドーナツは0カロリー説は本当だったんだね?

18

18. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 00:24
  • ID:xg8maTVp0 #

そういえば、アインシュタインが少年の頃思い描いてた「光の速さで飛びながら鏡見たら何が映るのか」みたいなやつ、結果どうなんだろ

19

19. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 03:38
  • ID:oMgRgL0M0 #

宇宙は合わせ鏡のような世界だ
今いるこの宇宙も元素の一つでしかない
そして観測できる元素の一つの中にも宇宙が存在する

20

20.

  • 2021年07月24日 04:02
  • ID:5JOBEuDm0 #
21

21. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 06:18
  • ID:DZ3Psd7C0 #

>>3
なんか「無限の長さのロープをつけたロケット飛ばして、宇宙の果てまで行かせて、地球に帰ってきてからロープを全部回収出来たら、宇宙は丸い」だったかな。

22

22. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 06:35
  • ID:5jIp3qm80 #

もし大きさが無限なら宇宙は真っ白、すなわち、あらゆる方向から来た光子で満たされていなければならない(光子が無限に到達するはずだから)。だが、実際は漆黒の闇。つまり宇宙は有限である。

23

23. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 08:45
  • ID:1lYMF.X60 #

※1
そのドーナツを食べようとするデカい警官がいる。

24

24. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 10:24
  • ID:tzndRoTq0 #

地球上で直進し続けたら元の位置にたどり着く

25

25. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 10:26
  • ID:JpKjfiUG0 #

新しいタブブラウザ

26

26. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 12:26
  • ID:qsfbjx560 #

頭の良い人の考えは分からない。

27

27. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 12:26
  • ID:Pv9LOI9g0 #

一周して戻ってこられるとはチャールトン・ヘストン主演の猿の惑星は正しかったのか

28

28. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 12:52
  • ID:1ebJ6IV50 #

宇宙の果てを考えるとき、この世ってどうなっているんだろと思う。

29

29. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 13:14
  • ID:91fInGnA0 #

>>17
パクパクですわ

30

30. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 14:37
  • ID:LR.i.0VH0 #

※1
そこはきっと神の世界
  彡⌒ ミ
(´・ω・`)
  

31

31. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 14:46
  • ID:0Y4oO8wS0 #

宇宙に真の無限と言うのはなさそうだな。
広さも特異点密度も。

32

32. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 16:58
  • ID:yKrOBsZG0 #

ホワアアアアアア

33

33. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 17:43
  • ID:b5DXiGPw0 #

なぜぇ〜 死にたがる〜〜 死にたがる〜〜♪

34

34. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 18:07
  • ID:DSkyH8.p0 #

「地球は平ら説」が今笑われてる様に、これもまた「過去の珍説」と笑われる未来が
いつか来るのだろうか。。 まあ当たってるかもしれんがw

35

35. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 19:01
  • ID:p3cJzVBR0 #

>>29
これさえあれば勝ちですわ!

36

36. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 20:23
  • ID:E.2ccXnW0 #

宇宙は穴が一つ。
ということは、いままでいわれてた球形でもなく両凸レンズ形でもなくアメーバー形でもないってことになるな。

37

37. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 20:33
  • ID:YTwQjhHP0 #

あれ?ミレニアム問題で唯一解かれた問題(ポアンカレ予想)によれば宇宙って穴がなかった(ドーナツ状ではない)って導き出されてなかった?

38

38. 匿名処理班

  • 2021年07月24日 20:58
  • ID:UTBl.drT0 #

※21
ちょと違う
紐を引っ張って引っかからなければ宇宙は無限
引っかかると宇宙に穴が開いてて限りがある
つまり、この記事はポアンカレ予想そのままってこと

39

39. 匿名処理班

  • 2021年07月25日 05:04
  • ID:jh8PahIU0 #

※1
仮にドーナツの表面(2次元)を我々の住む宇宙(3次元)と見立てた時に
宇宙全体の形がドーナツになっている、という例え話なので、
実際にはこのドーナツは4次元以上の多様体であって、
この「高次元ドーナツの表面」が我々の住む3次元宇宙に対応してるので、
従って答えは、我々が4次元以上の空間を認識出来ないのと同じ理由で、
その「(宇宙の)外側」は知覚できない、という寸法。

40

40. 匿名処理班

  • 2021年07月25日 11:54
  • ID:m1RPjENv0 #

宇宙に向けてひもをくくりつけたロケットを飛ばし、宇宙を1周して地球に戻ってきたとき、そのロープをたぐり寄せ、すべて回収することができれば宇宙が丸いと証明することができるけど、宇宙を1周して地球に戻ることなどそもそもできないので、宇宙が丸いと証明されていたわけではない、というわけか。

昔NHKスペシャルでポアンカレ予想の番組を見て以来、宇宙は球形と思い込んでいたが、それは誤解で、実際はまだわかってないというわけですね。

41

41. 匿名処理班

  • 2021年07月25日 17:21
  • ID:cuCiSLDr0 #


宇宙は球体の表面みたいなもので
光速より速く膨張してるから宇宙の端はない。
ってイメージなんやけど、ドーナツも膨張してるんかな?

42

42. 匿名処理班

  • 2021年07月26日 08:36
  • ID:nzlN5Vus0 #

フレンチクルーラー型だったら生きにくい。

43

43. 匿名処理班

  • 2021年07月27日 01:58
  • ID:Vi.nmHl20 #

「100万分の1ほど小さかった」だと今の大きさの99.9999%ほどの大きさだったってことにならない?
その通りの意味だったらごめんだけど、そうでないなら「100万分の1ほど“に“小さかった」で良いんじゃないかな。

44

44. 匿名処理班

  • 2021年07月30日 07:10
  • ID:Ri4gQHHW0 #

ウロボロスか

45

45. 匿名処理班

  • 2021年09月18日 17:39
  • ID:6jvfvLJJ0 #

地球が丸いということを認識するのも難しいのに、宇宙の形なんて理解が追いつかない

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