ビッグバン直後の宇宙に温度は存在したのか？素粒子がない状態でも「超高温」と言える理由を解説

宇宙の始まりについて調べると、「宇宙は誕生直後、非常に高温で密度の高い状態だった」と説明されることがあります。しかし、温度とは一般的に粒子の運動の激しさで決まるものだと考えると、「そもそも粒子が存在しないなら温度も存在しないのではないか」という疑問が生まれます。

実際には、宇宙初期の温度という表現は、日常的な物質の温度とは少し意味が異なります。この記事では、宇宙誕生直後の温度がどのように定義されるのか、素粒子が存在する前の状態をどのように考えるのかをわかりやすく解説します。

温度とは何を表しているのか

温度は一般的に、物質を構成する粒子の運動エネルギーの平均的な大きさを表す量です。

例えば、空気が熱いと感じるのは、空気中の分子が激しく動いていて、その運動エネルギーが皮膚に伝わるためです。逆に温度が低い状態では、分子の動きは小さくなります。

この意味では、「粒子がまったく存在しない状態では温度を定義できない」という考え方は正しい部分があります。しかし、宇宙初期の温度について語られる場合、少し違う意味で使われています。

現在の宇宙の始まりを説明するビッグバン理論では、宇宙は非常に高温・高密度の状態から膨張したと考えられています。

ただし、「宇宙ができた直後に何も存在しなかった」というイメージは正確ではありません。宇宙の非常に初期では、物質を作る前段階のエネルギーや量子場が存在していたと考えられています。

時間が進み宇宙が冷えていくと、エネルギーから素粒子が生まれ、さらに陽子や中性子、原子などが形成されていきました。そのため、温度が語られる時代には、すでに温度を考える対象となる状態が存在していました。

宇宙初期の温度とは、宇宙全体に存在していたエネルギー状態を表す温度です。特に、粒子や光が互いに影響し合い、熱平衡状態に近い状態だった時代では、温度という概念を明確に使うことができます。

例えば、現在の宇宙に満ちている宇宙背景放射も温度を持っています。これは約2.7K（約マイナス270℃）の電磁波の状態であり、光そのものにも温度を対応させることができます。

つまり温度は必ずしも「固体や液体の粒だけが動く状態」だけに使われるものではなく、エネルギー分布や放射の状態を表す物理量としても利用されます。

宇宙誕生の最初の瞬間に近い、現在の物理学でも完全には説明できない時代については、「温度」という言葉の使用には注意が必要です。

特にプランク時間と呼ばれる宇宙誕生直後の極めて短い時間では、現在知られている物理法則をそのまま適用できません。その段階では、通常の意味での温度を定義できない可能性があります。

しかし、科学者が「初期宇宙は非常に高温だった」と表現する場合、多くは粒子が存在し、エネルギーが非常に高い状態になった後の時代を指しています。

温度を「粒子が動く速さ」と説明するのは理解しやすい方法ですが、より正確には「系のエネルギーの分布を表す物理的な尺度」です。

例えば、光の集まりである放射にも温度を定めることができます。黒体放射という理想的な放射では、エネルギーの分布から温度を計算できます。

このため、宇宙初期の温度も、単純に目に見える粒子の運動だけではなく、その時代のエネルギー状態全体から定義されています。

宇宙の始まりで「超高温だった」と言われるのは、何もない空間が熱かったという意味ではありません。

宇宙初期には高いエネルギー状態が存在し、粒子や放射が生まれた後の時代では、それらのエネルギー分布から温度を定義することができます。

一方で、宇宙誕生の最初の瞬間に近い、まだ粒子や現在の物理法則が適用できない領域では、温度という概念そのものが意味を持たない可能性もあります。「宇宙は超高温だった」という説明は、物理学で温度を定義できる時代の宇宙について述べたものなのです。