観測可能な宇宙はクォークの何倍？930億光年と素粒子の大きさを比較してみる

宇宙の大きさを表す「930億光年」という数字と、物質を構成する最小クラスの粒子である「クォーク」の大きさを比べると、想像を超えるスケールの差があります。

この記事では、観測可能な宇宙の広さがクォークの何倍になるのかを、現在の物理学で分かっている範囲をもとに計算しながら、宇宙と素粒子のスケールの違いを分かりやすく解説します。

観測可能な宇宙の大きさ930億光年とは何か

「観測可能な宇宙」とは、地球から光が届く範囲にある宇宙のことです。宇宙は約138億年前に誕生しましたが、宇宙そのものが膨張しているため、現在観測できる範囲の直径は約930億光年とされています。

ここで注意したいのは、930億光年という数字は「宇宙が誕生してから光が進んだ距離」ではないという点です。光が移動している間にも空間そのものが広がったため、現在の距離に換算すると約930億光年になります。

1光年は光が1年間に進む距離で、約9兆4600億kmです。そのため930億光年は、約8.8×10²³kmという非常に大きな距離になります。

クォークは、陽子や中性子を構成している素粒子です。現在の物理学では、クォークはそれ以上分割できる構造を持たない「点粒子」として扱われています。

つまり、クォークには通常の意味で「半径○cm」という大きさは確認されていません。実験による制限では、少なくとも10⁻¹⁹m以下のスケールであると考えられています。

比較のため、原子の大きさは約10⁻¹⁰m、原子核は約10⁻¹⁵m程度です。クォークは、それよりさらに小さな世界に存在する粒子です。

正確にはクォークそのものの大きさは分かっていないため、「宇宙がクォークの何倍か」という問いには厳密な答えはありません。

しかし、仮にクォークの大きさを10⁻¹⁹mとして計算すると比較できます。

観測可能な宇宙の直径930億光年をメートルに変換すると、約8.8×10²⁶mになります。

これをクォークの大きさ10⁻¹⁹mで割ると、約8.8×10⁴⁵倍になります。

つまり、現在分かっている限界値を使った比較では、観測可能な宇宙の直径はクォーク約10⁴⁶個分の大きさになります。

10⁴⁶倍という数字は、人間の感覚ではほとんど理解できません。例えば、1億倍や1兆倍という大きさですら日常生活では想像が難しいため、そのさらに何兆倍も大きな差になります。

もしクォークを1mmの粒に拡大したとすると、同じ比率で宇宙は約10²³mmになります。これは約10京kmという、銀河を超えるほどの巨大なスケールになります。

逆に、観測可能な宇宙をクォークの大きさまで縮小すると、地球や銀河だけでなく、私たちが知っているすべての構造がほとんど点のような存在になります。

宇宙の果てを研究する宇宙物理学と、クォークのような極小の世界を研究する素粒子物理学は、一見すると正反対の分野に見えます。

しかし、実際にはどちらも「この宇宙は何でできているのか」「宇宙はどのように始まったのか」という同じ根本的な疑問を追求しています。

例えば、宇宙初期の状態を理解するには、非常に高いエネルギー状態での素粒子の振る舞いを知る必要があります。小さな粒子の研究が、宇宙全体の歴史を解明する手がかりになるのです。

観測可能な宇宙の直径930億光年を、クォークの大きさの上限とされる10⁻¹⁹mで比較すると、約10⁴⁶倍という桁外れの差になります。

ただし、クォークは現在の理論では大きさを持たない点粒子として扱われているため、この数字はあくまで比較のための目安です。

宇宙全体の巨大さと、クォークのような極小の世界は、一見すると正反対ですが、どちらも現代科学が挑み続けている最も深い謎の領域です。