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"The Life of the Cosmos"

Cat: SCI
Pub: 2000
#:0312b

Lee Smolin


Title

The Life of the Cosmos

宇宙の生命

Index
Why?
  • Nicolaus Copernicus expounded the astonishing idea that the Sun was at the center of the Universe.
  • Giordano Bruno proclaimed that space is infinite and the stars are other suns.
  • The introduction of relativity and quantum theory broke decisively the world view of Newtonian physics.
  • We cannot invent what we cannot conceive. This book is one such attempt.
  • ニコラス・コペルニクスは太陽が宇宙の中心であるという驚くべき考えを説明した。
  • ジョルダーノ・ブルーノは空間は無限であり、星々は別の太陽であると主張した。
  • 相対論と量子理論の導入によってニュートン物理学は決定的に打破された。
  • 我々は思いつかないことを発見することはできない。この本はそのような試みである。
Summary
要約
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0. Introduction:

  • In such a universe, the familiar divisions and hierarchies between phenomena that are considered fundamental and emergent, organized and simple, kinematic and dynamic, and perhaps even between what is biological and what is physical, are redrawn and redefined.
  • As there are several different arguments that lead towards the conclusion, this book is divided into five parts. Each of these is organized around a simple question which any complete theory of the universe must be able to answer. These questions are;
    1. Why is the universe hospitable to life? Why is it full of stars?
    2. Is there a unique fundamental theory that determines the properties of the elementary particles? Or might the laws of nature themselves have evolved?
    3. Is it accidental or necessary that the universe have such a large variety of structure?
    4. What are space and time?
    5. How can we construct a complete and objective description of the universe as a whole?

0.序説:

  • この宇宙では、基本的な現象と突発的な現象、組織化された現象と単純な現象、運動学的な現象と力学的な現象、そしておそらく生物学的な現象と物理学的な現象の間でなじみの区分と階層を、引き直して再定義することになる。
  • この結論に導くいくつかの異なる議論がある。本書はそれを5つに分ける。それぞれは簡単な質問からなり、宇宙の完全な理論であれば答えなければならないものである。その質問とは、
    1. 宇宙にはなぜ生命が宿るのか。なぜ宇宙は星に満ちているのか。
    2. 素粒子の特性を決定する唯一の基本理論はあるのか。自然自身の法律が進化した可能性はあるか。
    3. 宇宙にこれほど多様な構造があるのは偶然かあるいは必然なのか。
    4. 空間と時間とは何か。
    5. 我々は、宇宙全体を完全かつ客観的に記述できるのだろうか。
>Top

1. Crisis in fundamental physics:

  • Light and Life:
    Light is the ultimate source of life. Light is not only our medium of contact with the world; it is the basis of our existence. It is sunlight that provides the energy and the impetus for the self-organization of matter into life.
    • The first thing we need to know is why we live in a universe filled with light.
    • Physics is the only subject in the university curriculum in which the first year's study rarely gets beyond what was known in 1900. Almost no one teaches Newtonian physics to beginning students in the context of the current debates about the nature of space and time.
    • Physics must provide a way to understand what life is and why we are here. It is the 'science of everything' whose task is to uncover those facts and laws that apply universally.
  • The same atoms:
    The idea that life is not reducible to physics seems a remnant of the Greek and Christian cosmologies in which earth and sky are made from different essences. It is only with the physics of the 20C that we have been able to understand how living things are constructed from the same ordinary atoms that make up rocks and stars.
    • The first thing required for life in a variety of different atoms that can combine to form a very large number od molecules, which differ greatly in their sizes, shapes, and chemical properties.
    • We must ask what is required of a universe so that large amounts of carbon, oxygen and the other ingredients of life are plentifully produced. This question has a simple answer: the universe must contain stars. All but the lightest elements were forged in stars. Thus, it is not a coincidence that when we look up we see stars, just as it is not a coincidence that when we look around we see plants and trees.
    • Nothing can live in an environment in thermal equilibrium. If life is to exist there must then be regions of the universe that are kept far from thermodynamic equilibrium for the billions of years it takes for life to evolve.
    • If the universe really were cold and dead, if it contained no stars, there would be no living planets. The existence of stars is thus the key to the problem of why the cosmos is hospitable to life.
  • Logic of Atomism:
    According to the Greek philosophers, the elementary particles are eternal, never created or destroyed. This seemed to them the only alternative, for if they were created they would have to be put together out of some parts. Then they would no longer be the smallest things.
    • This idea cannot be right; some of these reasons come from the logic of atomism itself. A philosophy that tells us to explain things by breaking them into parts will not help us when we confront the question of understating the things that have no parts.
    • There are also other questions that standard model does not answer, which have remained mysteries. Many of these have to do with the properties of the elementary particles, such as; Why do they have particular masses and charges?
    • Looked at in a new way, our familiar world can all of a sudden reveal new meanings.
    • We must try to determine if the properties of the elementary particles might be somehow influenced by their relationships with the things that are around them. If elementary particles are so influenced, then perhaps those properties are not absolute and eternal.
  • Miracle of the stars:
    For better or worse, no such theory (that could describe a world) has every been found. Nor is there any reason to hope that a consistent theory that was able to describe something like our world should be unique.
    • These open questions have to do with the values of certain numbers that characterize the particles.
    • In fact, the existence of stars rests on several delicate balances between the different forces in nature.
    • Although many different kinds of elementary particles have been discovered, almost all the matter in the universe is made of four kinds: protons, neutrons, electrons, and neutrinos. These interact via four basic forces: gravity, electromagnetism and the strong and weak nuclear forces.
  • Gravitational constant:
    For elementary particle physics it it natural to take units by the proton mass. You have a mass of about 10^28. By contrast, the gravitation constant is about 10^-38; this tiny number measures the strength of the gravitational force between two protons. This is because the weaker gravity is, the more protons must be piled on top of each other before the pressure in the center is strong enough that the nuclear reactions ignite. Stars are so huge exactly because the gravitational constant is so tiny.
    • If the gravitational force were stronger by only a factor of ten, the lifetime of a typical star would decrease from about 10 billion years to the order of 10 million years.
    • The neutron is in just slightly heavier than the proton by about 2/1000. In contrast, the electron is much lighter than either, is it about 1/1800 of the proton. Without the many different stable nuclei, there would be no stars and no chemistry. We can asset that if the neutrino does have a mass, it is no more than 1/100,000 that of the electron.
  • Cosmological constant:
    This can be understood as measuring a certain intrinsic density of mass or energy, associated with empty space. In units of the proton mass, it can be no larger than about 10^-40. If this were not the case, the universe would not live long enough to produce stars.
    • Physics is full of ridiculously tiny numbers. The most massive elementary particle that could be imagined: it would be overwhelmed by its own gravitational force and collapse instantly to a black hole. It is called the Planck mass. It is enormous compared to the scale of the elementary particles. In units of the proton mass it would be about 10^19 (=10^-5 gram - the size of a living cell) To turn it around, this means that in units of the largest possible mass, the proton's mass is 10^-19, the electron's is 10^-22 and the cosmological constant is less than 10^-60.
  • Electromagnetism:
    All chemistry is an aspect of electromagnetism. The strength of the electrical interaction is measured by a number called 'alpha' by the physicists of 19C. Alpha, which is a measure of the strength of the electric force between two protons or electrons, has a value of approximately 1/137.
    • Light does do something essential for stars. for it must be possible for the energy produced in stars to be carried away to great distances. Otherwise being unable to get rid of the energy they produce, they would simply explode.
  • Strong nuclear force:
    What keeps the nuclei from being blown apart by the repulsion of all the protons in them? It must be strong enough to counteract the repulsions of all the protons. But it cannot be too strong, otherwise it would be too difficult to break the nuclei apart, and chain reactions could not take place inside of stars. This force must also be short-ranged. It cannot act on electrons, otherwise it would pull them into the nuclei, making molecules and chemistry impossible.
    • Remark: 100 times stronger than electromagnetic within the range of 10^-13 cm
    • Remark: Saturation of nuclear force
  • Weak nuclear force:
    There is one more basic interaction. It is called the weak nuclear interaction. It is much weaker than the strong nuclear force. It is too weak to play any role binding things together, but it does play an important role in transforming particles into each other. It is this weak interaction that govern the basic nuclear reaction by means of which an electron and a proton are transformed into a a neutron and a neutrino.
  • Variety of cosmos:
    There are only four fundamental forces, but they differ dramatically in their ranges and interaction strengths.
    • We must understand how it came to be that the parameters that govern the elementary particles and their interactions are tuned and balanced in such a way that a universe of such variety and complexity arises.
    • It is always possible that this is just coincidence. How probable it is that a universe created by randomly choosing the parameters will contain stars. The answer comes to about one chance in 10^229.
    • The part of the universe we can see contains about 10^22 stars which together contain about 10^80 protons and neutrons. These numbers are gigantic, but they are infinitesimal compared to 10^229. Luck will certainly not do here; we need some rational explanation of how something this unlikely turned out to be the case.
  • Maxwell's great discovery:
    James Clerk Maxwell discovered that electricity and magnetism were really different manifestations of a single phenomenon, which he called electromagnetism. For purely aesthetic reasons he changed the equations in order to make them more symmetric. He then discovered that his new equations predicted the waves should travel through the electric and magnetic fields; the speed was equal to the speed of light!
    • He had discovered something on one before him had known but that everyone after him would take for granted - that light is a wave through the fields that carry the forces between electric charges and magnets.
  • Desire for unification:
    There is in the end a conflict between the logic of atomism and the desire for unification. Although it is often said that the goal of physics is to discover a completely unified theory of fundamental particles, there is a hidden tension between the notion that the elementary particle have absolute properties, independent of each other and the history of the universe, and the idea of complete unification, according to which all the elementary particles and forces are manifestations of a single fundamental entity.
    • This conflict is the key to understanding the relationship between unity and variety in our understanding of the physical universe.
  • Standard model of particle physics:
    The standard model consists of two closely related theories. The first is an extension of Maxwell's theory that incorporates the weak nuclear interaction. This is called the Weiberg-Salam theory. The second is a theory of how quarks bind together to make protons, neutrons and many other particles. This is called quantum chromodynamics.
    • The standard model does have one great weakness: its dependence on a large number of free parameters. No theory with twenty parameters that can be freely chosen can be considered to be a fundamental theory of anything.
    • How is it that phenomena as different as electromagnetism and the weak and strong nuclear interactions can be encompassed within a single theory? It is based on two simple ideas; called the gage principle and spontaneous symmetry breaking.
  • Gauge principle:
    If I am playing with some atoms in my kitchen and you are doing the same in yours, can it matter if you and I use the same convention about which charge is negative and which positive?
    • Leibniz's philosophy: the principle of sufficient reason. This requires that in the description of the world we not be forced to make any choice unless there is a rational reason for making it one way or the other.
    • Herman Weyl found that there was a way to preserve our freedom to label charges as we would like. The electrical force must be mediated by a field. The force is carried by the field in the sense that each charge interacts only with the field in its immediate vicinity. The presence of a charge caused a change in the field nearby, and that change is then communicated through the entire field. Each charge feels the other only through the effect it has had on the field.
  • Yang-Mills theory:
    Opposite colors not not attract - they cannot be separated from each other. This property is called the confinement of colors. One can never observe a colored particle in nature. Once can only see combinations of particles in which the colors cancel each other out.
    • Quantum chromodynamics (QCD) became one of the triumphs of 20C science.
  • Weinberg-Salam theory:
    The mass of the electron is not intrinsic; it comes instead from its interaction with certain other particles, which are called Higgs particle. If there were no Higgs particles, the electron would have no mass. It would move at the speed of light, like a photon. But if it finds itself surrounded by a gas of Higgs particle, an electron is not able to move so quickly. The electron seems to gain mass because it is moving but through a muck of Higgs particles.
    • There are two kinds of Higgs particles; electron Higgs and neutrino Higgs. When no Higgs particles are present, the electron and neutrino will be the same. If Higgs are present then either electrons or neutrinos become massive, depending on which kind of Higgs are around.
    • There are many situations in which the laws of nature are symmetric in some way, but the only stable configurations are asymmetric. Because the theory is symmetric, it cannot tell which stable configuration is chose.
    • Imagine a pencil balanced on its point.

1.基礎物理学の危機:

  • 光と生命:
    光は生命の究極の源である。光は宇宙と通信する唯一の手段であるだけでなく、我々の存在の基礎でもある。太陽光は、物質を生命へと自己組織化するためにエネルギーとインパクトを与えてくれるのが太陽光である。
    • まず最初に我々が知りたいのは、なぜ我々は光に満ちた宇宙に棲んでいるかである。
    • 物理学だけが、大学1年の授業で1900年にわかっていたこと以上のことは教えない唯一の科目である。ニュートン物理学が、空間と時間の本質についての現在の解釈の文脈の中で1年生の学生に教えようとする教師はほとんどいない。
    • 物理学は、生命とは何か、なぜ我々はここにいるのかについて理解する方法を提供しなければならない。事実および普遍的に適用可能な法則を明らかにすることが「万物の科学」たる役目である。
  • 同じ原子
    生命を物理に還元できないという考えは、天と地とは異なった物でできているというギリシャやキリスト教宇宙論の名残に見える。ようやく20世紀の物理学になってようやく我々は生物がほかの岩石や星を作っているのと同じ原子から構成されていることを理解するようになった。
    • 生命が最初に必要とするものは、多くの異なる原子であり、それらが結合してサイズや形や化学的性質が非常に異なる大量の分子を形成できる。
    • 炭素、酸素、その他の生成の構成要素を大量に生み出すために、宇宙に何が必要かを問わねばならない。この答えは簡単である。宇宙には星が含まれていなければならない。最も軽い元素を除く全ての元素は星の中で作られた。従って、空を見上げると星が見えるのは、あたかも周囲を見渡すと草木が見えるのと同様に偶然ではない。
    • 熱平衡の環境では何者も生きられない。生命が存在することは宇宙の中に、熱力学的平衡を生命が進化する何十億年にも亘って避けることができる領域が存在していたことを意味する。
    • もし宇宙が本当に冷たく死んでいて、またもし星がないのであれば、生きた惑星は存在し得なかった。これは星の存在こそが、なぜ宇宙に生命が宿るのかという問いを解く鍵となる。
  • 原子論の論理:
    ギリシャの哲学者によれば、素粒子は永遠であり、作られることも破壊されることもない。それは彼らにとっては唯一の選択肢てあるように見えた。もし作り出されるとすれば、何かの部分をつなぎ合わせなければならなくなり、そうなるとそれらはもはや最小の物ではなくなるからである。
    • この考えが正しくない理由のいくつかは原子論そのものの論理からきている。物質をより小さな部分に分割することによって説明することは、それを構成する部分がないものを理解するという問題に直面するとまったく無力になる。
    • しかし標準モデルが答えられない問題はほかにもあり、それらも謎のままである。問題の多くは、素粒子が特別の質量と電荷をもっているのはなぜかというような素粒子の特性と関係している。
    • 新たな視点で見つめると、見慣れた世界が突然新たな意味を示してくれる。
    • 我々は素粒子の特性が、その周囲のものとの関係によって影響を受けているかを調べなければならない。もし素粒子が影響を受けているのであれば、その特性は絶対的なものでも永遠のものでもないだろう。
  • 星の奇跡:
    幸か不幸か、そのような世界を記述する理論はまだ発見されていない。また我々の宇宙を記述する矛盾のない理論が一つしかないと考える理由もない。
    • まだ未解決の疑問は、素粒子を特徴づける数値と関係している。
    • 実際に、星の存在は自然の異なる力の間の微妙なバランスに依る所が大きい。
    • 多くの異なる種類の素粒子が発見されたが、宇宙のほとんどの物質は、陽子、中性子、電子、ニュートリノから構成されている。これらは4つの基本的な力と相互作用している。重力、電磁力、強い核力、および弱い核力である。
  • 重力の定数
    素粒子物理学では、陽子質量を基準にとるのが自然である。あなたの質量は10^28となる。対称的に重力定数は約10^-38となる。これは2つの陽子の間に働く重力の強さを測ったものである。このように重力が弱いので、一層多くの陽子が積み重なり合わないと、星の中心の圧力が核反応を起こすまでにならないことになる。星があれほどまで巨大である理由は、重力定数がかくも小さいことによる。
    • もし重力が10倍位強力であれば、典型的な星の寿命は100億年から1000万年に減ってしまう。
    • 中性子は陽子よりも2/1000ほど少しだけ重い。対照的に、電子はいずれよりも遙かに軽く、陽子の約1/1800である。多種類の安定した原子核がなければ、星もなければ化学もなかったろう。もしニュートリノに質量があれば、それは電子の質量の1/100,000以下であると断定できる。
  • 宇宙定数:
    これは真空の空間に含まれるある固有の質量、即ちエネルギー量を表すものと理解できる。陽子質量の単位では、それは10^-40以下である。もしそうでなければ、宇宙は星を生成できるほど長く生きられないということになろう。
    • 物理学には信じられないような小さな数字がある。考えられる最も重い素粒子とは、それ自身の重力に圧倒されてすぐに崩壊してブラックホールになるような限界質量のことである。それはプランク質量と呼ばれる。それは素粒子と比べると巨大でである。陽子の質量の約10^19倍もある。(10^-5 gで、ほぼ細胞のサイズ)。逆にこのプランク質量を単位にとれば、陽子の質量は10^-19、電子は10^-22、宇宙定数は10^-60以下となる。
  • 電磁気力
    すべての化学は電磁気学の一面である。電気の相互作用の強さは19世紀の物理学者はアルファと呼ばれる数字で測定される。アルファは2つの陽子、あるいは2つの電子の間の電気力を示す値で、約1/137である。
    • また光は、星にとって非常に重要な役割を果たしている。星の内部で作られたエネルギーを非常に遠くまで運ばなければならない。発生したエネルギーを取り除くことができなければ、星は爆発してしまうだろう。
  • 強い核力
    陽子の斥力によって原子核がばらばらにならないのはなぜか。それはすべての陽子の斥力に対抗できるほど強くなければならない。しかしあまり強すぎると原子核をばらばらにすることができず星の内部で連鎖反応が起きなくなる。またこの力の及ぶ範囲は短くなければならない。それは電子に作用を及ぼしてもいけない。そうでないと電子を原子核の中に引き込んでしまい、分子や化学が不可能になってしまう。
    • 注:電磁気力より100倍強く到達範囲は10^-13 cm
    • 核力は飽和性をもつ(核力の飽和)
  • 弱い核力
    もう一つ基本的な相互作用がある。弱い核力の相互作用である。それは強い核力より遙かに弱い。それは物質を結びつける上では役に立たないが、素粒子が変換し合う時に重要な役割を演じる。電子と陽子が中性子とニュートリノに変換されるという基本的な核反応を支配しているのがこの弱い核力である。
  • 宇宙の多様性:
    たった4つの基本的な力あるだけだが、それらは到達距離も相互作用の力も大きく異なる。
    • 素粒子とその相互作用を支配するパラメータがどのようにして宇宙に多様性と複雑さが生じるようにバランスする理由を我々は理解しなければならない。
    • これが全くの偶然である可能性は常にある。パラメータをランダムに選んでできた宇宙に星が存在する確率はどの位あるだろうか。その答えは10^229分の1である。
    • 我々が見ることのできる宇宙には10^22の星があり、それらには10^80個の陽子と中性子が含まれている。これらは途方もない数字だが、10^229に比べればゼロに等しい。幸運だけでは説明つかない。我々は、これほどあり得ないことが起きたことについて合理的な説明をする必要がある。
  • マックスウェルの大発見
    J. C. マックスウェルは電気と磁気は同じ現象の異なる現れであることを発見し、それを電磁気と呼んだ。全くの美的な理由からからはもっと対称的にすべく方程式を変えた。そして新しい方程式が電場と磁場の中を動く波の存在を予測した。その速さは光の速さと同じだったのである。
    • 彼はそれ以前の誰もが知らなかったこと、そして彼の後の誰もが当然と考えることを発見した。即ち、光は電荷や磁石の間の力を運ぶ場の中を伝わる波であるということである。
  • 統一への希望
    原子論の論理と統一への希望の間には究極の矛盾がある。物理学の目標は素粒子に関する完全な統一理論を発見することだと言われる。しかし素粒子はそれぞれ互いにかつ宇宙の歴史からも独立している絶対的な特性を持っているという概念と、全ての素粒子と力は一つの基本的な実体の現れだとする完全な統一の概念とは隠れた緊張状態がある。
    • この矛盾が物理的宇宙を理解する上での統一と多様性の関係を理解する鍵となる。
  • 素粒子物理学の標準モデル
    標準モデルは密接に関連した2つの理論から成る。一つ目はマックスウェルの理論を弱い核力を組み入れるように拡張したものである。これはワインバーグ・サラム理論と呼ばれる。二つ目はクォークがどのように結合して陽子や中性子などの素粒子を構成するかという理論である。これは量子色力学と呼ばれる。
    • 標準モデルには一つの大きな弱点がある。それは多くの自由パラメータがあることである。自由に選べるパラメータが20もあるような理論は基本理論とは考えられない。
    • 電磁気力と弱い核力と強い核力のように異なる現象をどうしたら単一理論の中に包含できるのだろうか。その理論はゲージ理論自発的対称性の破れという二つの単純なアイデアに基づいている。
  • ゲージ原理
    もし私が自分の台所で、あなたがあなたの台所で原子を扱っているとすると、どちらの電荷がマイナスでどちらがプラスかについて同じ用語を使っているかは問題だろうか。
    • ライプニッツの哲学:「根拠律
      これは世界を記述する上で、これにはこの方法、他には他の方法というような合理的な理由がない限り、いかなる選択も強要されないという原理である。
    • Herman Weyl は電荷を好きなように呼ぶ自由を維持する方法を発見した。電気流億は場を媒体として伝わらなければならない。各々の電荷はその近傍の場とだけ相互作用するという意味で、力は場によって伝達される。電荷の存在は近くの場を変化させる原因となり、次にその変化が場全体に伝えられる。各々の電荷は他の電荷の存在を、それが場に与えてきた影響を通じて感知するのである。
  • ヤン・ミルズ理論
    異なる色は引き合わないし、相互に分離もできない。この特性は「色の封じ込め」と言われる。それは自然界では色粒子を観測できない。見ることができるのは相互に打ち消し合った粒子の組合せである。
    • 量子色力学(QCD)は、20世紀科学の一つである。
  • ワインバーグ・サラム理論
    電子の質量は固有のものではない。これはヒッグス粒子を呼ばれる他の粒子との相互作用から生じる。もしヒッグス粒子がなければ、電子には質量はない。電子は光のように光速で動くようになる。電子がヒッグス粒子のガスに取り囲まれていると、電子はそれほど速く動くことができない。電子はヒッグス粒子の中を動くので、質量をもっているように見える。
    • ヒッグス粒子には、電子ヒッグスとニュートリノ・ヒッグスという2種類がある。ヒッグス粒子がなければ、電子とニュートリノは同じになる。ヒッグス粒子があれば、どちらの種類のヒッグスがあるかによって電子やニュートリノは質量をもつようになる。
    • 自然界の法則には対称性があるが、安定した配置は非対称のものだけという状況は数多くある。理論は対称的なので、どの配置が選ばれるかはわからない。
    • 先端でバランスしている鉛筆を考えてみよう。
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2. String Theory:

  • Universal phenomena:
    Most physical phenomena take place at characteristic scales of length, time, energy and mass. We know of three universal phenomena. Everything that moves is described by the principles of relativity, and everything that exist seems to be describe by quantum theory. Among the forces, only gravity applies universally to everything.
  • There are three universal physical constants: gravitational constant G, Plank's constant h, and the speed of light c.
    • The Planck mass =
      =10^19 proton masses = 10^-5 grams
    • The Planck length = =10^-33 cm
  • Planck units:
    The most striking thing about the Planck units is how far theory are from the scales of atomic and nuclear physics. Protons and neutrons are about 10^-13 cm. With current accelerators we can probe down to about 10^-15 cm. The Planck length is 10^-33 cm. This is very disconcerting. It means that quarks and electrons are still absolutely enormous. The distance we have yet to go to reach it is roughly the ratio of the orbit of the moon to the size of the atom.
    • Higgs particles must be around 10^15 times the proton mass. This is much closer to the Planck scale.
  • String theory:
    Yoichiro Nambu, Holgar Nielsen and Leonard Susskind realized that the solution they found did not correspond to the traditional conception that a fundamental particle is a point. They behaved more like stretched, one-dimensional object, something like rubber bands.
    • It is hard to imagine how something that is just a point, that has no shape and takes up no space, could exist in different states or configurations. But if the elementary particles have no parts, we much imagine them as points.
    • String theory resolves this paradox; the most fundamental entities are one dimensional strings and not points. There are no point particles into which a string might be decomposed.
    • Since the time of Newton, those who tried to conceive nature's basic workings have been speaking of two distinct things; particle and forces. There are interactions between them. How can things that are truly the most fundamental and simple somehow have information about the others with which they interact?
    • Since 1985, one of the problems is to get the number of dimensions of space down from nine to three. The idea is to postulate that our world does have nine dimensions, but the six of them are rolled up, so that the diameter of the universes in these directions is not much more than a Planck length.
    • Some of its proponents like to say that string theory is a piece of 21st century mathematics that has, by our good fortune, fallen into our hands in 20th century.
    • At the same time, it must be said that , for all its elegance and promise, string theory has not so far led to any new predictions concerning the properties of the elementary particles.
    • The theory is almost unique in its pure, nine-dimensional form, that uniqueness is lost when one curls up the six extra dimensions to make a theory that describes our three-dimensional world.
  • Different phases of string theory:
    What is clearly needed is a principle that could explain which of the many different phases of string theory the universe chooses to be in. One possibility is that there is a more fundamental level of string theory, which unifies the descriptions of all the different phase.
    • The theory is presently understood it relies on a notion of space and time that has more in common with Newtonian physics than it does with Einstein's theory of relativity. This is enough to see that gravity and the other forces can arise from the motion of strings, but it is not enough to realize a complete unification with the theory of relativity, which is base on the idea that space and time are dynamical and not fixed.
    • The question which remains open is whether this can be done in a way that is consistent with the quantum theory. To solve this problem, we have to learn to look at space and time differently, as participants in a relational worlds rather than as the stage in an absolute world.

2.ひも理論:

  • 普遍的な現象
    ほとんどの物理現象は、特徴的な長さ、時間、エネルギー、質量の尺度で起こる。我々は普遍的な現象を3つ知っている。動くものはすべて相対論で記述され、存在するものはすべて量子論で記述される。そして力の中で重力だけがすべてに普遍的に作用する。
  • 3つの普遍的な物理定数がある。重力定数G、プランク定数h、および光速度c である。
    • プランク質量 =
      =10^19 陽子質量 = 10^-5 g
    • プランク長さ = =10^-33 cm
  • プランクの単位
    これ について最も驚くべきことは、原子や核物理学の尺度とかけ離れていることである。陽子や中性子は約10^-13 cmであり、現在の加速器で研究できるのは約10^-15 cmである。
    プランク長さは10^-33cmであり、これには全く当惑させられる。これはクォークや電子がまだひどく巨大であることを意味する。我々がまだ到達していない距離の差は、月の軌道と原子の大きさ位の差はある。
    • ヒッグス量子は陽子質量の10^15もあるはずである。これはプランクのスケールにずっと近い。
  • ひも理論
    南部陽一郎、Holgar NielsenおよびLeonard Susskindらが見つけた解は、基本粒子は点であるという従来の概念と一致しないことを見つけた。それらは、ゴムひものように伸びた一元の物体のように振る舞った 。 
    • ただの点で形もなく場所も占めていないただの点が、異なる状態や形状として存在することを想像することは難しい。だが、素粒子が部分から構成されていないのであれば、それらは点として考えなければならない。
    • ひも理論はこのパラドックスを解決する。最も基本的な存在は点ではなくて一次元のひもである。ひもを分解して、それを構成するような点は存在しない。
    • ニュートンの時代以来、自然の基本的な作用について解明しようとした人たちは粒子と力という二つの別個のもの考えてきた。これらの間には相互作用がある、と。最も基本的で単純なものがどうやって他のものに関する情報を得るのか。
    • 1985年以来、一つの課題は空間の次元を9から3に減らすことだった。我々の世界は9次元からなるが、その内6個は巻き上げられており、これらの方向への宇宙の直径はプランクの長さほどしかないと仮定するアイデアである。
    • 提唱者の中には、ひも理論はたまたま運良く20世紀の我々の手に入った21世紀の数学の一部であるという人もいた。
    • ひも理論は、優雅で有望であるとと同時に、素粒子の特性に関して新たな予測は今の所は何も示していないことを言わなければならない。
    • その理論は9次元の場合は唯一無二だが、その唯一性は、6つの余分な次元を巻き上げて、我々の3次元の世界を表す理論にするとき失われる。
  • ひも理論の異なる相
    明らかに必要なのは、ひも理論の多くの異なる相のどれを宇宙が選んだのかを説明できる原理である。一つの可能性は、すべての異なる相の記述を統一する最も基本的なレベルでのひも理論の存在である。
    • ひも理論は、アインシュタインの相対性理論よりも、ニュートン物理学によく似た時間・空間の概念に依存している。これは重力や他の力がひもの動きから生じることを示せるが、空間と時間は動的で固定されていないという概念を基礎とする相対性理論を組み込むことには十分でない。
    • まだ快適していない課題は、これを量子論と矛盾のないようにできるかということである。この問題を解くためには、我々は絶対的な世界の中の舞台をみる観客ではなく、関係し合う世界の参加者として、空間・時間を見る方法を学ぶ必要がある。
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3. Ecology of space and time:

  • Basic world picture:
    Even now that science has been severed from its religious roots, the idea that the laws of nature have an absolute and unchanging character has continued to be a central part of its basic world picture. For this reason it may seem strange to us if someone suggests that the laws of nature might be as much the result of contingent and historical circumstances as they are reflections of some eternal, transcendent logic.
    • In the history of science there have been two kinds of explanation; explanations in terms of general principle and explanations in terms of history. We are used to believing that the former are more fundamental than the latter. We would say that something that is universally true cannot rest on contingent circumstances, which can vary from case to case.
    • When we are dealing with properties of the observable universe we no longer have any reason to insist that if something is true in every observable case, it cannot at the same time be contingent. One reason is that we have not justification to assert that the universe we see around us represents a good sample of all that exits, or that has existed, or that might in principle exist.
  • Decoupling:
    The electrons were captured by the nuclei and settled down as ordinary gas. This is called 'decoupling.' It happed about a million years after the Big Bang, when the visible universe was about a thousandth of the present size.
    • Does this mean we must remain forever ignorant about what happened before the universe became transparent? The answer is no, because the universe was transparent to other form of radiation, such as neutrinos, for quite a bit further back in time before it became transparent to light. Sometime in the future, great neutrino telescope will detect a signal form the time before the universe became transparent.
    • There is only one form of radiations which must be able, in principle, to travel through any amount of matter. These are waves in the gravitational field. There is good reason to believe that such waves exist, and we may hope that they will soon be directly detected.
    • Certain theorems in general relativity theory that were proved in the 1960s by Roger Penrose and Stephen Hawking. These are called the singularity theorems.
      • A singularity is a point or region in space-time at which some physical quantity becomes infinite.
  • Quantum gravity:
    It is easy to divide the possible outcomes into three categories:
    • A: There is still a first moment of time (=singularity)
    • B: The singularity is eliminated by some quantum mechanical effect. As a result, when we run the clock back, the universe does not reach a state of infinite density.
    • C: Something new and strange and quantum mechanical happens to time, which is neither possibility A or B. ('Imaginary time')
  • Idea of Big Bang:
    Isn't the idea of the Big Bang that the whole universe expanded from a point? It is not actually what general relativity says. Instead, all the particles seem to spring into existence, simultaneously but separately, at the same instant. Just after the first instant of time, the universe already has a finite spatial extent.
    • Of course, it is always possible that all the different regions of the universe were created, separately, with exactly the same conditions. This does not solve the problem; it only makes it worse by forcing us to imagine that whatever created the universe did it in away that duplicated the same conditions in an enormous number of separate regions.
  • Cosmological inflation:
    One escape from this dilemma would be if general relativity were wrong about the early history of the universe. There are indeed at least two ways that quantum effects might win the universe enough time.
    1. Cosmological inflation:
      According the the hypothesis, before the transition the universe was in a phase in which it expanded much more rapidly than it does in its present state. During the inflation the universe may double in every 10^-35 of a second or so. Because of this, regions of the universe that are now billions of light year apart were initially very, very close to each other.
    2. Eradication of the singularity:
      Quantum effects might completely eradicate the singularity. In this case there would be no moment of creation. Time would instead stretch indefinitely far into the past. Regardless of inflation, there would have been enough time for all the regions of the universe to have become contact. But in this case we have to ask what happed in the world before the Big Bang. That term would not longer refer to a moment of creation, but only to some dramatic event that led to the expansion of our region of the universe.
  • Great mystery:
    One of the great mysteries about time is why the past is different from the future. Cosmology only deepens the mystery.
    • A conservative estimate is that here is about one black hole for every 10,000 stars. This mean each galaxy contains at least 100 million black holes.
    • The escape velocity depends on both the mass and the size. Each black hole is surrounded by a surface beyond which nothing can escape. (event horizon)
    • There is an important difference from the case of the cosmological singularity, which is that in a black hole the singularity lies in the future rather than in the past.
    • If time ends, then there is literally nothing more to say. But what if it doesn't? Suppose that the singularity is avoided, and time goes on forever inside of a black hole. What then happens to the star that collapsed to form the black hole? As it is forever beyond the horizon, we can never see what is going to here. If time does not end, then there is something there, happening. The question is, What?

3.時空間のエコロジー:

  • 基本的な宇宙観
    科学がその宗教的なルーツから切り離された今日でさえ、自然法則は絶対的で変化しない性質をもっているという考えが、基本的な宇宙観の中心にあった。この理由によって、もし誰かが自然法則は永遠でかつ超越的な論理の反映だけでなく、偶然的で歴史的な環境の結果でもあると示唆することは奇妙に思えるかも知れない。
    • 科学の歴史においては、2種類の説明が成功してきた。一般原理からの説明と歴史的観点からの説明である。我々は何か普遍的に正しいと主張するのは、偶然の環境に依存して状況 によって変化する場合には言わない。
    • しかし我々が観測可能な宇宙の特性について論じるときは、もしあることが観測できる場合に真実である場合、それは同時に偶発的ではあり得ないと主張する根拠はもはやない。それは我々の周囲に見られる宇宙は、存在しているもの、存在していたもの、あるいは原理的に存在するかもしれないすべてを代表していると断言できないからである。
  • 脱結合:
    電子は原子核に捕らえられ、通常のガスとなる。これは「脱結合」と呼ばれ、それはビッグバン後、約100万年後に起こった。そのときの見える宇宙は現在のサイズの約1/1000であった。
    • このことは我々にとって、宇宙がと透明になる以前のことについて永久に未知であることを意味するのだろうか。答えはノーである。それは宇宙は、光に対して透明になるずっと以前に、ニュートリノのような他の形態の放射に対して透明になるからである。将来いつか、ニュートリノ大望遠鏡が宇宙が透明になる以前からやってきた信号を捕らえることだろう。
    • いかなる量の物質があっても、原理的に通り抜ける放射が一つだけある。 重力場の波である。このような波 (重力波) が存在していると考えられる理由があり、いずれ直接的に検出できるようになるだろう。
    • 1960年代にRoger Penrose とStephen Hawkingが証明した一般相対性理論のある定理があり、これは「特異点定理」と呼ばれている。
      • 特異点とは、物理量が無限大になる時空の点あるいは領域のことである。
  • 量子重力:
    予想される結論は、以下3カテゴリーに分類される。
    • A: やはり最初の瞬間、即ち特異点がある。
    • B: なんらかの量子力学的効果によって特異点が取り除かれる。その結果、時計を逆回ししても、宇宙は無限大の密度の状態に到達しない。
    • C: 上記AでもBでもない、何か新しくて奇妙な量子力学的なことが起こる。(虚時間)
  • ビッグバンの概念
    ビッグバンの概念では、宇宙全体が点から膨張することではないのか? 一般相対性理論が言っていることはそうではない。すべての粒子は同じ瞬間に、同時ではあるが別々に突然存在するように見える。最初の瞬間の直後に、宇宙はすでに空間的に有限の大きさをもっていた。
    • もちろん宇宙の異なる領域が別々に全く同一条件で作られたということも考えられる。しかしこれでは問題は解決しない。宇宙を作ったものがなんであれ、同一条件であちこちで創造を繰り返したことを説明しなければならないので、帰って具合が悪い。
  • 宇宙のインフレーション
    このジレンマから逃れる方法の一つは、宇宙の初期においては一般相対性理論が通用しないとすることであろう。量子効果が十分長い間宇宙を支配する方法は少なくとも2つある。
    • 宇宙のインフレーション:
      この仮説によれば、転移以前の宇宙は、現在より遙かに速い速度で膨張する相にあった。インフレーションの間宇宙は約10^-35秒毎に二倍に膨張した。これによって現在何十億光年も離れている領域は互いに非常に接近していたことになる。
    • 特異点の根絶:
      量子効果は特異点を完全に根絶してしまうかも知れない。この場合は創造の瞬間はなく、時間は過去に向かって無限に引き延ばされる。インフレーションを考慮しなくとも、宇宙の全ての領域が互いに接触するだけの十分な時間があったことになる。しかしこの場合ビッグバン以前の宇宙に何が起きたのかという疑問が生じる。ビッグバンはもやは創造の瞬間を意味するのではなくなり、我々の宇宙を領域を膨張へ導いた劇的な出来事に過ぎなくなる。
  • 大きな謎
    時間に関する謎の一つは、なぜ過去は未来と異なるのかということである。宇宙論はこの謎を深めるばかりである。
    • 控えめの予測でも1万個の星につき1個のブラックホールがある。これはそれぞれの銀河には少なくとも1億個のブラックホールがあることになる。
    • 脱出速度は質量とサイズに依存する。各々のブラックホールはいかなるものもそこから脱出できないような表面に囲まれている。(事象の地平線)
    • 宇宙のと特異点の場合とは重要な相違がある。それはブラックホールにおける特異点は過去ではなく未来にあることである。
    • もし時間が終わるのであれば、文字通り何も言うことはない。だがもしそうでなければどうなるのか。特異点が避けられ、ブラックホールの内側で永遠に時間が続くと仮定しよう。その場合、星が崩壊してブラックホールを作ると何がおこるのだろうか。それは永遠に地平線の向こう側なので、そこで何がおこっているか見ることはできない。時間が終わらないのではれば、そこで何かがあって、何かがおこっている。問題はそれが何かである。
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4. Did the universe evolve?:

  • Greece and Egypt:
    They estimated a span from the Sun to the stellar sphere 10,000 times the diameter of the earth. This was very convenient for the Christians who came later, as it provided a place for God and His angels.
  • Newton:
    There was no boundary, and no possibility of conceiving anything outside oft it. This was no problem for God, as he was everywhere. For Newton, space was the sensorium of God - the medium of His presence in and attachment to the world.
  • Einstein:
    His theory could describe a universe that was finite, but closed, exactly like the surface of a globe that has finite area but no boundary. In this way, general relativity can resolve, at least for space, the great paradox of whether the universe is finite or infinite.
  • Time is finite or infinite:
    But if we ask whether time is finite or infinite, we run up against the same paradox. It seems absurd that time go on and on forever, but it also seems impossible that there be a first or a last moment. I seems so natural to ask what would happen just before or just after.
    • If time does not end at black hole singularities it much continue, perhaps forever, in regions inaccessible to us. There is no longer a simple linear progression. Instead time branches like a tree, so that each black hole is a bud that leads to a new universe of moments.
  • Parameters:
    For most values of the parameters, stars could not exist. This means that for most values of the parameters, black holes do not form by the collapse of stars.
    • The parameters of the standard model of elementary particle physics have the values we find them to because these make the production of black holes much more likely than most other choices.
    • As the Planck units are built from the basic constants of relativity theory and quantum theory, they are the only units that make sense in any possible universe.
    • It is very unlikely that the parameters of this first universe are finely tuned to values that result in a big universe full of stars. Instead, it is most likely hat the life of this universe will be over in a few Planck times (10^-43 second)
    • But soon or later, as they try out different values of the parameters, the Phoenix universes will discover the trick of having more than one descendant. Once that happens, the population of universes that know the trick of leaving many copies of themselves explodes.
  • A possible fitness landscape for cosmology on a two dimensional slice of the space of parameters of the standard model. The altitude of the landscape is proportional to the number of back holes a 'universe' with each set of valued of the parameters will produce. The cats represent a population of 'universes' after a number of 'generations.' Drawing courtesy of Saint Clair Cemin.
  • One of these general conclusions:
    While the creatures are found concentrated near the summits, they are not all found exactly on the summit. This is because all the creatures produce progeny that live slightly displaced from them, as their parameters differ slightly form those of their parents.
  • Natural selection:
    It only works in biology because the changes in the organisms that result from mutations and sexual recombination are small. This is necessary not only to preserve the fitness of organisms from one generation to the next, but to make possible the development of greater fitness through the accumulation of incremental changes. If the changes in the parameters of universes are small, then the same will be true in cosmology.
  • Formation of stars:
    A star forms when a cloud of gas contracts under the force of gravity. If the cloud is massive enough its center will become hot and dense enough for nuclear reactions to take place.
    • A cloud has to be dense enough for the force of gravity to be able to overcome its pressure. The cloud also has to be cold, because the hotter its is, the higher is the pressure resisting the force of gravity. (about 10 degrees K)
    • As soon as a star forms, it will warm its surroundings. This heats the gas around it, which makes it more difficult for other stars to form. The star themselves disrupt the conditions required for their formation.
    • It is possible that early in its history - about 100 million year after the creation - the gas that filled the universe was dense enough for stars to form. Their numbers could not have been great, as the universe quickly became too dilute. For a universe to continue to form stars indefinitely, there must be clouds of gas which remain cold and dense, in spite of the expansion of the universe.
    • We need to understand the processes by which the galaxies appear and organize themselves to preserve the conditions under which stars form.
  • Cooling mechanisms:
    The processes by which the clouds are cooled involves other elements, principally carbon. Remarkably, the cooling mechanisms depend on processes in which organic molecules, such as carbon monoxide, radiate excess heat. Indeed these cold clouds are full of organic molecules. (giant molecular clouds)
  • Supernovas:
    Taking into account both the energy and the mass they return to the interstellar medium, we arrive at an important hypothesis: "a world without supernovas would be one in which fewer stars, and hence fewer black holes, would be made".
    • The first thing that happens when the star runs out of nuclear fuel is that the inner core contracts under the force of gravity until it becomes as dense as an atomic nucleus. This creates a lot of energy, which must somehow escape. The core is too dense for light to travel far; only neutrinos, which interact very weakly with matter, can get out. Thus, as the star collapse, many neutrinos are created that carry energy out of the core.
    • On their journey outward, the neutrinos must pass through the remainder of the star. This is enough material that an appreciable fraction of the neutrinos (perhaps 5%) do interact on the way. When they do, they give up the energy which they are carrying to the atoms of the outer layers of the star. This leads the material tremendously, causing the supernova explosion.

4.宇宙は進化したか:

  • ギリシャとエジプト
    彼れは太陽から星の球までの距離を地球の直径の1万倍と見積もった。これは後からやってきたキリスト教にとっても都合が良かった。神と天使達に宇宙の居場所を提供したからである。
  • ニュートン
    宇宙には境界はなくその外側に何があるかを思索する必要もなかった。それは神にとっても問題なかった。神は至る所にいたからである。ニュートンにとっては、空間は神の感覚中枢であり、神の存在し、神と宇宙をつなぐ媒体であった。
  • アインシュタイン
    彼の理論は宇宙が有限で閉じており、あたかも地球の表面が有限で教会がない全く同じようであることを記述した。これによって、一般相対性理論は少なくとも空間については宇宙が有限か無限かという疑問については解くことができた。
  • 時間は有限か無限か
    しかしもし時間が有限か無限かということになると我々は同じパラドックスに出会う。時間が永遠に続くのも不合理に見えるし、また最初や最後の瞬間がある可能性もないように見える。その茶億膳は直後に何が起きたのかというのも当然の疑問であろう。
    • もし時間がブラックホールの特異点で終わりを迎えなければ、時間は我々がアクセスできない領域で永久に続くことになる。もはや単純な直線的な進行は存在しない。その代わりに時間は、木のように枝分かれし、各々のブラックホールは新しい宇宙の瞬間へ導く芽となる。
  • パラメータ
    ほとんどのパラメータにおいて、星は存在できない。このことはほとんどのパラメータで、星の崩壊によってブラックホールが形成されないことを意味する。
    • 素粒子物理学の標準モデルのパラメータは、他の値より遙かに多くのブラックホールを作り出しているが故に、我々が見出す値になっている。
    • プランクの単位は相対性理論と量子論の基本的な定数から作られたので、可能性のあるどの宇宙でも意味のある唯一の単位である。
    • この最初の宇宙のパラメータが星で満ちた大きな宇宙になるように値がうまく調整されていたとは考えられない。むしろこの宇宙の寿命は数プランク時間(10^-43秒) 以内に終わってしまった可能性が高い。
    • パラメータの値を種々試している内に、遅かれ早かれ、不死鳥宇宙は一つ以上の子孫をもつやり方を発見するだろう。一度そうなると多くの子孫の残す方法を知る宇宙の人口は爆発的に増加する。
  • <左図> 標準モデルのパラメータ空間を二次元にスライスした宇宙論の適応度の地形。地形の高度は、各々のパラメータ値をもつ宇宙が作るブラックホールの数に比例している。ネコは、多くの世代後の宇宙の人口を表す。Saint clair Ceminの図による。
  • 一般的な結論の一つ
    生物は頂上の近くに集中しているが、それらはすべて正確に頂上にいるのではない。これは子孫のパラメータがその親と異なっているので、すべての生物が自分から少し離れた所に住む子孫を作るからである。
  • 自然淘汰
    生物学における自然淘汰は、突然変異と性による遺伝子組み替えの結果生じる生物内の変化は小さいことで有効に働く。これは一つの世代から次の世代への生物の適合性を維持するだけでなく段階的な 変化の積み重ねによってよりよい適合性を獲得するためにも必要である。もし宇宙のパラメータの変化が少なければ、同じことが宇宙論についても言える。
  • 星の形成
    星は重力によってガス雲が収縮することで作られる。もしその雲が十分の羽州していれば、その中心は核反応が起きるほど熱く高密度になる。
    • 雲は重力によってそのその膨張する圧力に打ち勝つほど濃縮しなければならない。その雲はまた冷たくなければならない。熱ければ重力に抵抗する圧力もそれだけ高くなるからである。(約10度K)
    • 星が作られるとすぐに周囲を暖め始める。それは星の周りのガスを暖めることで、他の星が作られにくくする。星自身は星の形成に必要な条件を破壊してしまうのである。
    • 宇宙の初期、創造後1億年ほどの間は宇宙を満たしているガスは星ができるほど濃密であり得た。その星の数はそれぼど大きくなかった。宇宙があまりにも早く希薄になっていったからである。宇宙が星々を際限なく作り続けるためには、宇宙の膨張にも拘わらず、冷たくて濃集したままのガス雲なければならない。
    • 星を形成するための条件を維持するために、銀河が出現し組織される過程を理解する必要がある。
  • 冷却メカニズム
    雲が冷やされる過程には、他の元素、特に炭素が関係している。驚いたことに冷却メカニズムは、一酸化炭素のような有機分子が過剰な熱を放射するメカニズムに依存している。実際、冷たい雲には大量の有機分子が含まれている (巨大分子雲)
  • 超新星
    超新星が星間空間に戻すエネルギーと物質の両方を考慮すると、我々は重要な仮説に到達する。
    「それは、宇宙に超新星がなければ、作られる星の数少なくなり、従ってブラックホールの数も少なくなる。」
    • 星が核燃料を使い果たした時にまず起こることは、中心核が重力によって原子核の密度と同じようになるまで収縮することである。これによって大量のエネルギーが作られ、それを何とか放出しようとする。中心核はあまりにも密度が高いので光りは遠くへ動けない。物質とほとんど作用しないニュートリノだけが飛び出すことができる。このように星が崩壊すると、大量のニュートリノが生成され中心核からのエネルギーを運び出す。
    • 星の外側へ向かう途中で、ニューは星の他の部分を通り抜けなければならない。ここには大量の物質があり、ニュートリノのかなりの部分(おそらく5%位)が途中で相互作用する。その際、ニュートリノは自分が運んでいるエネルギーを星の外層の原子に渡す。こんぼことが物質を極端に熱し、超新星爆発を起こさせる原因となる。
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5. Ecology of the galaxy:

  • The facts of the galaxy:
    There are about 10^11 of galaxies in our observable universe, and they each contain about a many stars.
    • Spiral galaxy:
      it is a spiraling pattern system that contains both stars and an interstellar medium consisting of gas and dust.

    • Elliptical galaxy:
      There are many galaxies in which there is little or no formation of new stars currently going on. These galaxies are made up entirely of low mass, long-lived, star. Such galaxies lack the disks and spiral arms where new stars are formed.
    • Star mass:
      Stars come in a variety of masses, from about 1/10 to 100 times the mass of the Sun.
    • Brightness of star:
      It increases as the cube of the mass.
    • Lifetime:
      It decrease with increasing mass inversely to the square.
    • Mystery:
      It takes only about 10,000 years for a cloud of gas to collapse under its self-gravity and form a star. Why is it then that five or ten billion years after the galaxy was formed, there remains plenty of gas to form new stars?
    • Star-burst galaxy:
      ←<NGC1741>
      On the other side, there are some galaxies in which the rate of star formation seems to be much higher than in our galaxy. They are producing new stars at a rate that cannot possibly be sustained over a very long period of time.
    • Halo:
      Large, spherical halo of stars that surrounds the flat disk. This halo is made up of smaller, long-lived stars made billion of years ago.
    • Rotation:
      It does not rotate rigidly, like a merry-go-round or top. Instead, the stars and the clouds of gas rotate with roughly the same velocity no matter how far they are from the center.
  • Dark matter:
    • 80-90% of the matter of a galaxy;
      is found to be spread out beyond the disk and is not in the form of visible stars and gas.
    • Dark matter;
      may be old burned-our stars, or black holes, or very cold dust, or some combination of all of these. It could be something more exotic, such as neutrinos, or some kind of so far undiscovered particle.
    • Dust:
      Only in the disk what we find a lot of dust. This dust consists primarily of carbon, silicon, iron, and other elements that have been made in stars.
    • Interstellar medium:
      At least 10% of the matter in the disk is gas and dust. The interstellar medium is incredibly dilute.
    • Chemical processes:
      To appreciate the chemical processes of the interstellar medium, one must think of 10,000 years as if they were a second. The life of a massive star is 10 million years from formation to supernova. Then, to understand the whole system, we will have to see the life of that star as a day in the life of a galaxy that lives at least ten billion years and rotates once every few hundred million years.
  • Why do they not mix?:
    • The fact that the interstellar medium consists of different components of widely different temperatures and densities means that it is not in equilibrium.
    • There must be flows of energy and material that keep the medium out of equilibrium. Their source is primarily the intense starlight and supernovas of the massive stars.The stars are made from the medium by means of processes which are powered by the energy other stars themselves produce.
  • Phases of interstellar medium:
    • Hot plasma phase: several million degrees K, but quite sparse: one atom for every 1,000 cubic cm.
      • The image of the warm living Earth in the depth of cold empty space is thus not only misleading; it is simply wrong.)
    • Giant molecular clouds: 10-20 degrees K; a million atoms per cubic cm. These are the strangest and most singular structures in the galaxy.
      • They contain most of the disk's material, they take up only about 1% of its volume.
      • Each typically contains a million times the mass of the Sun, spread over a volume tens of light years across.
      • Most common organic molecule found here is carbon monoxide. 60 different organic molecules have been discovered, including ammonia and various alcohols. There are much larger organic molecules, containing as many as 100 atoms each.
      • Their delicate molecular bonds survive best in the very cold temperatures that are found there.
      • Also mysterious is how so many molecules form, as starlight can break apart the delicate bonds. Dust absorbs light, so that the molecules inside a dust clouds are shielded from most of the star-light.

5.銀河のエコロジー:

  • 銀河の事実
    観測可能な宇宙には10^11乗個もの銀河があり、各々にほぼ同じ個数の星が含まれている。
    • 渦巻銀河
      渦巻きパターンの系で星もガスとチリからなる星間物質からなる。
    • 楕円銀河
      新たな星がほとんど、あるいは全く作られていない銀河が数多くある。これらの銀河は、質量が小さく長命の星で構成されている。これらの銀河には、星が形成される場所である円盤や渦巻きの腕が存在していない。
    • 星の質量
      星の質量は、太陽の質量の1/10から100倍まで様々である。
    • 星の明るさ
      質量の3乗に比例する。
    • 星の寿命
      質量の2乗に反比例する。
    • ミステリー
      ガス雲が自らの重力で崩壊して星を形成するのに約1万年しかかからない。銀河が形成されて50億年や100億年が経過した時点でも、新たな星を作るためのガスが沢山残っているのはなぜか。
    • スター・バースト銀河
      <左図:NGC1741>
      一方で、我々の銀河よりも星が形成される割合がずっと高い銀河がある。これらは長期的には維持できないような割合で新たな星を作っている。
    • ハロー
      平らな円盤を囲む 大きな球状の星のハロー。このハローはより小さな数十億年前に作られた長命の小さな星々からなる。
    • 回転
      メリーゴーラウンドやコマのように厳格に回転していない。星やガス雲は中心からの距離にかかわらずほぼ同じ速度で回転している。
  • ダークマター
    • 銀河物質の80-90%
      それは円盤の外側に広がっており、目に見える星やガスの形はしていない。
    • ダークマター
      燃え尽きた古い星か、ブラックホールか、非常に冷たいチリか、これらの組み合わせであろう。またもってエキゾチックなもの、ニュートリノとかまだ未発見の粒子のようなものかも知れない。
    • チリ
      大量のチリがあるのは円盤だけ。この円盤は星の内部で作られた、主に炭素、珪素、鉄その他の元素からなる。
    • 星間物質
      円盤を構成する物質の少なくとも10%はガスとチリである。星間物質は驚くほど希薄である
    • 化学反応
      星間物質の化学反応を理解するためには、我々は1万年を1秒を考える必要がある。大質量の星は形成から超新星までの寿命は1000万年 である。系全体を理解するためには、この星の寿命を銀河の一日として考える。銀河は少なくとも100億年は存在し、数億年に1回回転している。
  • なぜ混じり合わないのか
    • 星間物質は非常に異なる温度と密度をもつ部分でできていることは平衡状態になりことを意味する。
    • 星間物質を平衡状態にさせないエネルギーと物質の流れがあるに違いない。その源は、主に強力な星の光と、大質量星の超新星による。星は他の星自体が作り出したエネルギーによって引き起こされる過程を通じて星間物質から作られる。
  • 星間物質の相
    • 熱いプラズマ相:数百万度K、但し非常に希薄で、1,000立方cmに1原子がある。
      • 暖かく生きた地球が冷たく空虚な空間の深みの中にあるというイメージは誤解を与えるというより、
      • 明らかな間違いである。
    • 巨大な分子雲:10-20度K。1立方cm中に100万個の原子がある。これは銀河の中で最も奇妙で特異な構造をしている。
      • 円盤の物質の大半を含むが、その容積は1%に過ぎない。
      • 典型的には、直径10光年の容積の中に太陽100万個分の質量が含まれる。
      • ここで一番よく見られるのは一酸化炭素である。アンモニアやアルコール類を含む60種類もの分子が発見されている。また100個もの原子を含むずっと大きな勇気分子も存在する。
      • 壊れやすい分子県都合が生存するためにはこのような非常に冷たい温度が最適である。
      • 星の光がデリケートな結合を壊してしまうにもかかわらず、これほど多くの分子が見つかるのは不思議である。チリは光を吸収するので、チリ雲の中の分子は、星の光から遮蔽されている。
  • Formation of a star:
    • A giant molecular cloud begins to contract under the force of its gravitational self-attraction.
    • As the core grows, its center becomes hot.
    • The temperature and pressures become hot enough to cause nuclear reactions, fusing hydrogen into helium in the center.
    • The new star is still surrounded by a cocoon of dust which is being drawn to it by its gravitational field.
    • The new star generates a wind blowing outwards from its surface, driving off the cloud of gas; otherwise its mass will continue to grow and collapse right away to a black hole.
    • The wind that blows the clouds off comes not from the new star itself, but from a whirling disk of matter that forms around it.
    • The planets are believed to form from the disks, as they cool.
    • Why there are many more small stars than massive stars:
      • When a small star (about the mass of Sun or less) is formed then the cloud just around the newly formed star is blown away. This does not affect other regions of the cloud, in which new stars continue to form. Dozens to hundreds of stars are formed from the same dense cold region of the interstellar medium.
      • But a massive star forms, it spews out so much energy that it heats up the whole cloud , bringing the process of star formation to a halt.
      • Only about 1% of the mass of giant molecular cloud will be converted to stars.
  • Supernova explosion:
  • ←<Crab Nebula, a large cloud of gas produced by a stellar explosion in 1054, and the neutron star spins 30 times a second.>
    →<Cats-eye Nebula NGC6543 in Draco, called planetary nebula>
    • This causes a bubble of hot gas to expand rapidly in the interstellar medium. In front of this bubble a wave forms, called a shock wave.
    • As the wave moves out, it may encounter another giant molecular cloud. The result is quite dramatic. The wave compresses the cloud, and it can catalyze the collapse of its densest region, thus beginning the star-forming process. (self-propagating star formation)
  • A galaxy is a system;
    in which the processes of star formation occurs continually. A galaxy may seem just a static collection of stars, but in reality it is much closer to an ecosystem.
    • We cannot think of the universe as a simple homogeneous gas in dead equilibrium if its most common feature are enormous self-organized systems of great complexity and beauty.
  • 星の形成
    • 巨大な分子雲が自らの重力で収縮することで始まる。
    • 中心部が成長し、温度が上昇する。
    • 温度圧力が、核反応が始まるほど高くなり、中心部では水素がヘリウムに融合される。
    • 新たな星はまだ、その重力に引かれるチリの繭に取り巻かれている。
    • 新たな星は表面から外側へ吹く風を作ってガス雲を吹き払う。さもないとその質量は増え続け直ちにブラックホールへと崩壊してしまう。
    • 雲を吹き払う風は新たな星そのものではなく、その周りの形成された回転する物質の円盤からである。
    • 惑星は、冷えるにつれてその円盤から形成されると考えられる。
    • なぜ巨大な星より小さな星の方が多いのか。
      • 小さな星 (大量質量程度かそれ以下)が形成されるとき、その新たな星の周りの雲は吹き飛ばされる。これは他の地域の雲には影響を当てないので、新たな星は次々と形成される。何十あるいは何百という星が、同じく濃く冷たい星間物質の領域から作られる。
      • しかし大質量星が作られると、それは大量のエネルギーを吹き出し、すべての雲を熱し、星の形成過程を止めてしまう。
      • 巨大分子雲質量の約1%だけが星に変換される。
  • 超新星爆発
  • <左図:かに星雲、1054年に超新星爆発。中性子星が30/秒で回転している。>
  • <右図:りゅう座キャッツアイ星雲NGC6543、惑星状星雲>
    • これは熱いガスのバブルが急速に星間に膨張していく。このバブルの前面には衝撃波と呼ばれる波が作られる。
    • その波が外側に動いていくにつれて、別の巨大分子雲に遭遇する。結果は劇的である。その波は雲を圧縮し、濃い領域を崩壊を促進させる。こうして星の形成過程が始まる。 (自己伝搬型星形成)
  • 銀河はシステムである
    そこでは星の形成過程が連続的に起こっている。銀河は静止した星の集合に見えるかも知れないが、実際にはずっと生態系に近い。
    • 我々は、もし銀河の共通の特徴が非常に複雑かつ美しい巨大な自己組織化さえたシステムであるとしたら、宇宙を死のへ恒常対にある単に均一なガスを考えることはできない。
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6. Star formation and Virus infection:

  • Three physicist of IBM:
    Gerola, Schlman and Seiden likened the spread of star formation in a galaxy to the spread of a virus through the population it infects. If it infects and kills too many people, it dies out. But if it infects too few it also dies out. To live continually in a population, a virus must not kill too many of its hosts, and it must infect new victims at a steady rate, not too high and not too low.
    • The key to the survival of the virus is the possibility that the host develops a temporary immunity. By analogy, if star formation is to go on indefinitely in a galaxy, there must be something like temporary immunity in this case as well.
  • Game of life: invented by John Conway, Cambridge mathematician:
  • Re: http://www.bitstorm.org/gameoflife/
  • This game is played on a simple chessboard, each square of which can be thought of as living or dead. The game proceeds through a series of steps. At each step a decision must be made for each square of the board as to whether it is to be alive or not. A square will be alive on the next step if it has next to it some, but not too many, squares that are now alive. This is like how an infection spreads. (The squares are the hosts and what is alive are the viruses that can live in them.) To be infected, you must have at least one neighbor who is already infected, but too many infected neighbors can convey an immunity, and prevent an infection.

6.星の形成とウイルス感染:

  • IBMの3人
    IBM の物理学者 (Gerola, Schlman and Seiden) は、銀河内での星の形成の広がりをウイルスが人々の間で感染することに例えた。もし余りにも多くの人々に感染し殺してしまったらウイルスも絶滅する。しかし感染させる人が少なすぎても絶滅してしまう。人々の中で生存しつづけるためには、ウイルスはその宿主の多くを殺してはならず、多くも少なくもなく一定の割合で新しい患者に伝染しなければならない。
    • ウイルスの生存にとっての鍵となるのは、宿主が一時的に免疫を発達させる可能性である。そこから類推すると、もし星形成が銀河の中でいつまでも続くとすれば、この場合、一時的な免疫のような何かがあるに違いない。
  • 生命ゲーム: (ケンブリッジの数学者 John. Conway発明)
  • 参考:http://www.bitstorm.org/gameoflife/
  • このゲームはチェス盤を使って行われる。各々の四角は生か死があり得るとする。このゲームは一連の段階を経て進む。各段階でボードの各四角が生か死を決めなければならない。 ある四角は現在生きているいくつかの四角と接していれば次の段階で生とする。これは感染の広がりとよく似ている。 (四角は宿主であり、生きているのはその中にウイルスがいるとする。) 感染させるためにはすでに感染した隣人が少なくとも一人必要である。しかし感染した隣人が沢山いると免疫が伝わるので感染を防ぐことができる。
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<Game of Life>:

  • Each cell of the chessboard has 8 neighboring cells;
    4 adjacent orthogonally,
    4 adjacent diagonally.
  • The rules are:
    • Survivals: Every counter with 2 or 3 neighboring counters survives for the next generation.
    • Deaths: Each counter with 4 or more neighbors dies (is removed) from overpopulation. Every counter with 1 neighbor or none dies from isolation.
    • Births: Each empty cell adjacent to exactly 3 neighbors - no more no fewer is a birth cell. A counter is place on it a the next move.
  • Cf: http://www.math.com/students/wonders/life/life.html
  • This simple model;
    seems to capture the essence of the ecology of the spiral galaxies. Most importantly, it explains to us how feedback processes, such as those that are ubiquitous in the biological world, act to control the star formation process so that the waves of star formation neither die out, nor grow uncontrollably, but propagate at exactly the right rate to persist in the galaxy indefinitely.
  • Styles of explanation:
    This story tells a lot about the changing styles of explanation among physicist. What is interesting is what is kept and what is thrown away in the two cases.
    • The density wave theory ignores all of the processes, such as star formation, taking place in the galactic disks, and models the galaxy as a simple medium or fluid through which waves may travel.
      • Density wave theory, in which continuous quantities evolve according to nonlinear differential equations)
    • The new model is of a quite different sort; it throws away all the material phenomena, such as densities, pressures, and temperature, and instead models the process of star formation as a discrete on-or-off process.
      • The computer is not only serving as a tool which allows people to play easily with ideas - it is itself serving as a metaphor.
      • It easily captures structure and organization that is difficult or impossible to encode in the old, continuous mathematics. It can do this because it is a language, not of substance, but of information.
  • <左図:生命ゲーム>
    チェックボード上の各セルには8つの隣接セルがある。4つは上下左右直行して、また他の4つは斜め対角上にある。
  • このルールは
    • 生存:各カウンタは2または3つの隣接カウンタがあれば次世代へ生き残る。
    • 死亡:各カウンタが4以上の隣接カウンタに隣接すると過密により死亡する。隣接カウンタが1以下の場合は孤立により死亡する。
    • 誕生:3つのカウンタに隣接する空セルには次の段階でカウンタがおかれる。 隣接カウンタは3より多くても少なくても誕生セルとはならない。
  • この単純なモデル
    は渦巻銀河の生態系の本質をうまく捉えるのに成功したように見える。最も重要なことは、生物学の世界で至る所にあるフィードバック機構が、星形成過程を制御し、死に絶えることも、制御不能になるほど成長することもなく、無限に銀河の中に存続するように適度な早さで広がっていくことを説明している。
  • 説明スタイル
    この話は物理学者が説明スタイルが変わったことを多く多し得ている。興味深いのは2つのケースで、各々何を残し、何を捨てたかということである。
    • 密度波理論は銀河円盤で行われる星形成のようなすべての過程を無視し、銀河を波が進行していく単なる媒体や液体としてモデル化している。
      • 密度波理論では、連続量が非線形微分方程式によって進化していく。
    • 新たなモデルはこれと全く異なっている。それは密度、圧力、温度といったすべての物質の現象を捨てて、代わりに星形成過程を不連続のオンオフ過程としてモデル化している。
      • コンピュータは、人々がアイデアを簡単に試す道具として役に立つだけでなく、それ自身がメタファーとしての役割がある。
      • それは古い連続した数学では表現が困難あるいは不可能な構造や組織を容易に表すことができる。それは物質ではなく情報の言語であるからである。
Comment
  • The author, Smolin, tries to merge key elements of Einstein and Darwin to draw our Cosmos.
  • It is an antidote for gloom; mortality of life.
  • 著者のSmolinは我々の宇宙を描くために、アインシュタインとダーウィンの基本要素を合体しようと試みている。
  • それは、生命は死すべきものという憂鬱に対する反論である。

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