宇宙時間における自分の位置の特定｜Cosmological Positioning
宇宙の始まりから終わりまでを距離、時間で標準化した場合の今の自分の位置の記述は他にどのような呼び方の候補があるか。Cosmological Simultaneous Localization and Mapping (Cosmological SLAM)
時間と距離のスケールを標準化し、宇宙紀138億年、地球紀38億年、21世紀A.D.2025年9月6日10時における東京千代田区丸の内の位置を特定するためには、以下のような方法が考えられる。
1. 時間スケール
宇宙の歴史における主要な時間スケールは以下の通りです。
- ビッグバンから現在までの時間（現在）: 約138億年（1.38 × 10¹⁰年）
- 宇宙の最終的な「熱的死」までの時間（仮定される未来のスケール）: 宇宙の膨張とエネルギーの希薄化が続く結果、最終的には「熱的死」と呼ばれる状態になるとされています。このスケールは、おおよそ10¹⁰⁰年（100の後にゼロが100個）に達すると考えられています。
2. 距離スケール
宇宙の規模は、ビッグバン以後膨張し続けています。
- 現在の観測可能な宇宙の半径: 約460億光年。これは、宇宙膨張を考慮した上で、現在私たちが観測できる範囲です。
- 現在の宇宙の直径: 約920億光年。
- 最終的な宇宙のスケール: 現在の膨張が続くと仮定した場合、最終的に宇宙は無限に膨張する可能性があり、したがって最終的な距離スケールは非常に大きくなります。宇宙の膨張速度（ダークエネルギーによる）によっては、最終的には現在観測できる範囲を超えて物質が非常に遠くに広がると予想されます。
- つまり、時に応じて宇宙の広さは違うということ。熱的死を迎える頃には数億倍になっている可能性も
3. 粒子数
ビッグバンから現在までの宇宙における粒子数は、以下のように見積もることができます。
- 初期宇宙の粒子数: ビッグバン後、初期の宇宙には高エネルギーの粒子が存在していました。最初の数秒間に膨大な数の粒子が生成されたと考えられています。これらは、素粒子（クォーク、電子、ニュートリノなど）として、現在の物質の基盤となります。
- 現在の宇宙の物質量: 宇宙の物質のほとんどはダークマターやダークエネルギーであり、通常の物質（バリオン物質）は全体の約5%程度です。宇宙全体の粒子数（原子核や電子を含む）は非常に多いですが、具体的な数を挙げるとすれば、観測可能な宇宙に存在する物質は約10⁸⁰個の粒子（原子核）を持つと見積もられています。
4. エネルギースケール
エネルギーに関しては、宇宙全体におけるエネルギーの総量も膨大です。
- 現在のエネルギー密度: 宇宙のエネルギー密度は、現在の膨張を支配するダークエネルギーが主な要因となっています。ダークエネルギーが支配的になる前の宇宙は、物質と放射線のエネルギーが支配的だった時代がありました。
- 宇宙の熱的死: 最終的にはエネルギーが均等に分散され、温度がゼロに近づくとされ、これが「熱的死」の状態です。この過程は非常に長い時間スケールを要します。
5. 宇宙の終焉
宇宙の終わりにはいくつかのシナリオが考えられています。
- ビッグフリーズ（熱的死）: 宇宙が膨張し続け、物質が非常に広がり、星々が燃え尽き、すべてが冷え切るシナリオ。これにはおそらく10¹⁰⁰年のスケールがかかると考えられています。
- ビッグクランチ: 膨張が逆転し、宇宙が収縮し始めるシナリオ。しかし、現在の観測結果（ダークエネルギーの存在）は、このシナリオの可能性を低くしています。
- ビッグリップ: 宇宙膨張が加速し、最終的にはすべての物質や空間が引き裂かれるシナリオ。これも、ダークエネルギーの影響により、膨張が無限に加速することによって起こる可能性があります。
6. まとめ
- 時間スケール: 現在から138億年、最終的な宇宙の終焉まで10¹⁰⁰年（熱的死）と予測されます。
- 距離スケール: 観測可能な宇宙は約460億光年、最終的な膨張による距離は無限大に近づく可能性があります。
- 粒子数: 観測可能な宇宙内には約10⁸⁰個の粒子が存在すると見積もられています。
宇宙の始まりから終わりにかけて、これらのスケールは非常に大きく、時間的・空間的に非常に長いスケールにわたります。
1. スケールの変換と定義
まず、言及されているスケールのそれぞれを、物理学の既存の理論や数理的枠組みで定義し、標準化する必要があります。特に、プランク時間やプランク長さといった基本単位を用いて、問題に関連するスケールを変換していきます。これにより、物理的な「現実のスケール」から宇宙規模の尺度へと整合性をもたせることができます。
例:
- プランク時間（tP = 10^{-43} 秒）: 時間の最小単位
- プランク長（lP= 1.616 ＊10^{-35} メートル）: 距離の最小単位
このような単位を用いて、物理的なスケールを測ることができます。
2. 位置の特定
現在の地球上の位置を特定するためには、次の情報を使います。
- 緯度・経度: 地球の表面で位置を特定するために必要な座標。
- 天文単位（AU）と距離: 地球から太陽までの距離を基準にすることで、天文学的な位置を特定。
- 地球自転・公転: 地球の自転による位置と時間の関係（天文時計）を用いて、特定の時刻における位置を計算。
3. 時間的整合性と宇宙的スケール
ビッグバンや銀河のスケール、熱的死（宇宙の最終的な冷却状態）の概念を取り入れる場合、物理学的なスケールと天文学的なスケールを組み合わせた計算が必要です。これには、ブラックホールや宇宙の膨張に関連する理論（例えば、一般相対性理論や量子重力理論）を駆使して、宇宙の時間のスケールを考慮に入れることができます。
4. 標準化と可視化
例えば、これらのスケール（時間や距離）を宇宙論的な単位系（例えば、光年や天文単位）で標準化し、宇宙規模での時間と距離を可視化する方法も考えられます。
時間の定義
2025年9月6日10時における東京都千代田区丸の内の位置は、通常の地理的座標（緯度・経度）で特定できます。しかし、この位置を宇宙スケールで位置づけるには、銀河系やビッグバンといった宇宙的なフレームでスケールを統一するための数学的な標準化が必要。特に、プランク単位でのスケールを使用することで、宇宙論的な観点からも時間と位置を捉えることができるかもしれないが、宇宙は膨張しているとするとプランク時間がずっと同じ長さとは限らないのか。
プランク時間とは？
プランク時間（tPt_PtP）は、量子重力理論における基本単位の1つであり、次のように定義されます： \[t_P = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^5}} \approx 5.39 \times 10^{-44} \text{秒}\]
ここで、ℏはディラック定数、Gは万有引力定数、cは光速です。
プランク時間は、空間と時間が量子力学的に結びついている極微のスケールに関連し、宇宙の最初の瞬間（ビッグバン直後）における時間の進行の基準となると考えられています。この時間は、宇宙の膨張に関係なく普遍的な定数であり、物理法則の基本単位の一部です。
宇宙の膨張と時間の関係
宇宙が膨張しているとは、空間そのものが拡大していることを意味します。宇宙膨張のスケールを表すフリードマン方程式では、時間と空間の進行が膨張に伴って変化する様子が記述されています。
膨張する宇宙において、時間と空間の尺度（つまり「計測単位」）が膨張によって伸びることを考慮すると、膨張の影響を受ける時間と、膨張に影響されないプランク時間を区別する必要があります。
1. 宇宙膨張と時間の変化
宇宙膨張は空間の広がりを表すもので、膨張する宇宙の中での時間は、**膨張因子（スケールファクター）**によって相対的に変化します。膨張因子が1であった時期（ビッグバンから初期の宇宙まで）から、現在の膨張因子が増加していきます。この膨張因子が時間の進行に与える影響は以下のようになります：
- 宇宙が膨張することで、時間の進み方が異なり、物理的な「時間」が膨張因子に依存して変化する可能性がある。
- もし膨張が加速する場合、空間の広がりは時間の進行にも影響を与えるかもしれませんが、プランク時間自体は宇宙の膨張とは独立して一定の長さを保つと考えられています。
2. プランク時間と膨張因子
プランク時間は物理的な時間の最小単位として、普遍的な定数であり、時間の尺度を定義します。しかし、膨張因子が時間スケールに影響を与える場合、宇宙の膨張によって、相対的な時間の進行が変化する可能性はあります。例えば、膨張因子が1よりも小さい初期の宇宙では、時間の進行が異なると考えられるかもしれません。
- プランク時間自体は一定の長さを持つ物理的な単位であり、宇宙の膨張に関係なく普遍的な時間の最小単位とされます。
- しかし、膨張因子や宇宙の膨張が時間の進行に影響を与える場合、相対的な時間の進み方が変わることはあります。ただし、プランク時間はその影響を受けないため、膨張する宇宙においてもプランク時間は一定であるという理解です。
したがって、宇宙の膨張が進んでも、プランク時間自体の長さは変化しませんが、膨張による相対的な時間の変化が別の次元で発生する可能性がある。
位置の定義
宇宙の記録である138億年という時間スケールにおいて、位置の定義は非常に複雑になります。重力や時間の均一性が存在しないという点を考慮すると、位置を定義するための基準は次のように考えるべきです。
1. 一般相対性理論に基づく位置の定義
一般相対性理論によれば、重力場が異なる場所では時間の進み方や空間の曲がり方が変わります。これは「時空の歪み」と呼ばれ、物体がどこに位置するかを定義するために基準が必要です。宇宙のスケールで位置を定義する場合、この歪みを考慮しなければなりません。
- 座標系の選択: 宇宙全体の位置を測るには、適切な座標系が必要です。一般的には、**宇宙背景放射（CMB）**を基準として、地球や太陽系の位置を他の天体と比較することが多いです。CMBは宇宙の初期状態から放射された光で、ほぼ均一であり、時間や空間の歪みを補正するために使われます。
- 重力ポテンシャルの影響: 重力の影響を無視することはできません。例えば、地球上での位置は地球の重力場によって影響を受け、同じ地球上でも高度が違えば時間の進み方がわずかに異なります。この影響は、宇宙規模では惑星、恒星、銀河、ブラックホールなどの重力源によってさらに顕著になります。
2. ローカルな位置と宇宙的な位置の違い
地球上の「位置」は一般的に、地理的座標（緯度・経度）や高度で表現されますが、これが宇宙規模における位置とは一致しません。宇宙的な位置を定義するには、以下のような点が考慮されます。
- ローカルな位置（地球上の位置）: 地球上の位置を定義するのは簡単で、緯度と経度で表現できますが、これには地球の自転や公転の影響も含まれます。また、時間の流れも場所によって異なるため、時間と位置の関係を正確に測定するには、位置と時間の相互作用を考える必要があります。
- 宇宙的な位置（宇宙全体の位置）: 宇宙全体の位置を定義するためには、太陽系内での相対位置、銀河系内での位置、さらにそれらがどのように宇宙全体の構造に関連しているかを理解する必要があります。これには赤方偏移や距離の測定（例えば、超新星やガンマ線バーストなどを基準にする）を使用して位置を定義します。
3. 時間の進み方の差異
時間の進み方が場所によって異なるという事実は、位置を定義する際に非常に重要です。重力が強い場所では時間が遅く進み、重力が弱い場所では時間が速く進みます。この現象は重力時間遅延として知られています。
- ブラックホール近傍の時間の遅れ: 例えば、ブラックホールの近くでは時間が極端に遅く進むため、同じ瞬間でもブラックホールから遠い場所では時間の経過が異なります。これは位置の定義を非常に困難にする要因です。
- 宇宙膨張の影響: 宇宙全体が膨張しているため、遠くの天体は時間的・空間的に離れつつあり、位置を定義する際にその影響を考慮しなければなりません。膨張している宇宙における「現在の位置」は、単に距離だけでなく膨張の速度も関係します。
4. 位置を定義する方法
- リファレンスフレーム（参照系）の選択: 現代の物理学では、位置を特定するための参照フレームを選択します。宇宙論的な観点では、宇宙背景放射（CMB）を基準とすることが多いです。これを基準に、地球の位置や時間の進み方を相対的に捉えることができます。
- 相対的な位置の定義: 宇宙全体で絶対的な位置を持つ点は存在せず、すべての位置は他の点との相対的位置で定義されます。例えば、太陽系内の地球の位置は、太陽を中心とする座標系や、銀河系内での相対的な位置で表されます。
結論
位置の定義は、選んだ参照フレームとその基準に依存します。一般的には、宇宙背景放射（CMB）を基準にした座標系で位置を定義し、重力や時間の歪みを考慮に入れる必要があります。また、地球上の位置を定義する際には、緯度・経度に加え、地球の自転や公転の影響、さらに時空の歪みを補正することが求められます。
時刻と時間を特定する技術
自分の時刻と時間をロケーションする一連の学問や技術は、主に次のような分野や技術に関連しています。
1. 時空間認識（Spatiotemporal Awareness）
この分野は、時間と空間を相互に関連付けて認識する技術や学問です。時空間認識では、特定の位置における時間の進行や、異なる場所での時間の進行がどのように変化するかを理解するための理論や技術が含まれます。
- 時空間マッピング: 空間（位置）と時間（時刻）を統合的に扱い、どの場所でどの時刻が進行しているかを特定する技術。これには、GPS（衛星測位システム）や地理空間データの利用が含まれます。
2. 衛星測位技術（GNSS：Global Navigation Satellite System）
衛星を利用して、地球上の任意の位置の緯度、経度、高度とその時刻を特定する技術です。GNSSは、位置情報とともに正確な時刻を提供するため、時間と位置のロケーションに直結しています。
- GPS（米国）やGLONASS（ロシア）、Galileo（EU）などがその代表的な例です。これらのシステムは、正確な時間と位置情報を提供し、時間と空間を一元的に管理します。
3. 相対論的時空間理論（Relativistic Spacetime Theory）
相対性理論（特に一般相対性理論と特殊相対性理論）では、時空間が重力場や運動状態に応じて変化することを説明します。この理論は、特に重力が強い場所での時間の遅延や、物体が高速で移動する際の時間の伸びなどを説明します。
- 時間の遅延と空間の歪み: 重力場や光速に近い速度での移動に伴う時間の遅れを考慮することで、精密な位置と時間をロケーションするための高度な理論を提供します。
4. 天文時計（Atomic Clocks）
宇宙規模や極めて精密な位置と時間の測定を行うために、原子時計が重要な役割を果たします。これらの時計は、非常に正確な時間を測定し、特に衛星や宇宙船での位置決定や、宇宙規模での時空間の理解に欠かせません。
- 原子時計は、地球上の位置と時間を非常に高精度で計測するために使われ、衛星システムや宇宙探査などで活用されています。
5. 宇宙論（Cosmology）
宇宙規模での時間と位置の関係を考察する学問であり、ビッグバンからの宇宙の膨張や時空の構造を理解するために、時間と空間のスケールを統一的に扱います。
- 宇宙の膨張に伴う時空の変化、ブラックホールやダークマター・ダークエネルギーの影響を含む理論が位置と時間のロケーションに関与します。
6. 時間学（Chronobiology）
時間と生物学的な時間（生物時計）との関係を扱う学問で、物理的・生物的時間の進行と位置の関連を研究します。特に人間や動物の生体リズム、季節変動、光の影響などが時間と位置にどう関連しているかを調べます。
- 生物時計や昼夜リズム（サーカディアンリズム）など、時間がどのように物理的・生物的環境と相互作用するかに関する学問です。
結論
自分の時刻と位置をロケーションする技術や学問は、時空間認識や衛星測位技術（GNSS）、相対論的時空間理論、宇宙論、天文時計など、複数の分野が関連しており、これらが相互に作用して位置と時間の正確な理解と定義を可能にします。
自律航行と自動操縦
自分の位置を相対的に認識しながら位置取りする自動航行技術は、一般的に「自律航行」や「自動操縦」技術として知られていますが、特に以下の技術が関係します。
1. 自律航行システム（Autonomous Navigation Systems）
自律航行は、人工知能（AI）やロボット工学を活用して、外部の操縦者の指示なしで自動的に航行する技術です。このシステムでは、相対的な位置認識を行い、障害物を避けたり目的地を設定したりすることができます。一般的に以下の要素を含みます。
- GPSやGNSS（衛星測位システム）を利用した位置把握
- センサー技術（LiDAR、カメラ、レーダーなど）を使って、周囲の環境を感知し、相対的な位置関係を計算
- 自己位置推定アルゴリズム（SLAM: Simultaneous Localization and Mapping）を使用して、未知の環境でも正確な位置を認識
2. SLAM（同時位置認識と地図作成）
SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）は、移動するロボットや自動車が自分の位置を相対的に把握し、周囲の環境の地図を同時に作成する技術です。この技術は、GPSが使えない場所でも非常に効果的で、室内や地下など、衛星信号が届かない場所での自動航行に利用されます。
- 地図作成と自己位置認識が同時に行われ、ロボットや車両は自分の位置を推定しながら周囲の環境を理解します。
3. 自動操縦（Autopilot）
自動操縦システムは、航空機や船舶などで使用される技術で、事前に設定された航路に従って自動的に航行します。現代の自動操縦システムは、しばしばAIや機械学習を活用して、動的な状況（風、交通、障害物など）に適応します。航行中の自律的な位置取りには、以下の要素が含まれます：
- 航法センサー（ジャイロスコープ、加速度計、磁気センサーなど）
- 自律的な軌道計算と経路修正アルゴリズム
- 障害物回避システムを含む高度な環境認識
4. ロボティクスにおける自律走行
自律走行技術は、自動車やドローン、無人地上車（UGV）などに適用され、相対的な位置認識を行いながら、障害物を避けつつ移動します。これには、コンピュータービジョンや深層学習を使った画像認識、レーダーセンサーやLiDARを使った物体検出技術が含まれます。
- リアルタイムの位置認識と環境認識をもとに、自動的に最適な経路を選択し、目的地へ向かうことが可能です。
5. ドローン航行システム（Drone Navigation Systems）
ドローンにおいても、自律的な位置認識と航行が重要です。ドローンは、自律航行システムを用いて、障害物を避けながら目的地に到達します。これには、地理的な情報、センサー、カメラを活用した高度な技術が必要です。
- 航空航法システム（GPS、IMUなど）と視覚的認識システム（コンピュータービジョン）を組み合わせることで、相対的な位置と環境に基づいた自動航行が実現されます。
結論
自分の位置を相対的に認識しながら位置取りを行う自動航行技術は、自律航行システム、SLAM、自動操縦、自律走行、ドローン航行システムなど、さまざまな分野で利用されています。これらの技術は、周囲の環境を感知し、自己位置を推定しながら、最適なルートで移動するために組み合わせられています。
宇宙の始まりから終わりまでを標準化した場合の「今の自分の位置」
宇宙の始まりから終わりまでを標準化した場合の「今の自分の位置」を記述するための他の呼び方には、次のような候補が考えられます：
1. 時空間的位置（Spatiotemporal Position）
- 説明: 自分の位置を「空間（位置）」と「時間（時刻）」という2つの軸を使って定義するものです。宇宙の始まり（ビッグバン）から終わりまでのスケールを基準に、空間的・時間的に自分の現在の位置を捉えるための用語として適用できます。
2. 宇宙的座標（Cosmological Coordinates）
- 説明: 宇宙全体のスケールで自己の位置を捉えるため、宇宙論的座標系を基準にした座標の定義。これは、自己の位置を相対的に示すために使える座標系で、宇宙の膨張を考慮に入れたものです。
3. 相対的宇宙位置（Relative Cosmic Position）
- 説明: 自分の位置を他の天体や銀河、または宇宙背景放射（CMB）などとの相対的な位置で記述する方法。宇宙全体の膨張や構造形成に基づいて、現在位置がどのように相対的に変化しているかを捉えます。
4. 時間的座標（Temporal Coordinates）
- 説明: 時間スケールに焦点を当て、宇宙の時間軸上で自分の位置を定義するもの。宇宙論的に標準化された「時間の流れ」を基に、ビッグバンから現在までの経過時間を基準にして自己の位置を捉えます。
5. ビッグバンからの位置（Position from the Big Bang）
- 説明: 宇宙の起源（ビッグバン）を基準として、そこから現在に至る位置を記述する方法。宇宙の進化に沿った位置の変化（膨張や重力的影響など）を考慮し、相対的な位置を示します。
6. 宇宙的経度・緯度（Cosmological Latitude and Longitude）
- 説明: 地球の経度・緯度のように、宇宙における自己の「経度」と「緯度」を定義し、それに基づいて自分の位置を示す方法です。これには、宇宙背景放射や銀河の分布、その他の天体を基準にした座標系を使用することができます。
7. 宇宙論的位置（Cosmological Position）
- 説明: 「宇宙論的に定義された位置」という表現で、宇宙の膨張や物質の分布、重力的影響を踏まえて自己の位置を説明するための用語です。これは、時間と空間の相対的な尺度を基準にして、宇宙全体における自己の位置を定義します。
8. メタ時空的位置（Metatemporal Position）
- 説明: 時間と空間を超越的な視点で捉え、ビッグバンから熱的死までを一つの時間軸として、自己の位置を抽象的に定義する方法です。これは、時間的・空間的な枠組みを超えて、もっと広い視野で「位置」を捉えようとする概念です。
9. プランク時空位置（Planck Spacetime Position）
- 説明: 宇宙論的尺度における最小単位（プランク長・プランク時間）を基準にして、自己の位置を定義する方法。プランクスケールを基準にすることで、宇宙の最も基本的な構造に基づいた位置を捉えることができます。
10. 普遍的座標（Universal Coordinates）
- 説明: 宇宙全体を通じて普遍的に通用する座標系を用いて、自己の位置を定義する方法。これには、空間的な広がりや時間の進行に関する普遍的な尺度が含まれます。
11. エネルギースケール位置（Energy Scale Position）
- 説明: 宇宙全体のエネルギー分布に基づいて、自己の位置をエネルギー密度やダークエネルギー、ダークマターなどの分布に基づいて定義する方法。宇宙論的スケールでのエネルギーの状態に沿った位置概念です。
12. クロノン位置（Chronon Position）
- 説明: クロノン™という仮想的な粒子や時空の単位を基に、自己の位置を定義する方法。これは、時間的・空間的な基準を「クロノン™」という新たな視点で捉えるというアプローチです。
結論
「今の自分の位置」の記述は、想像以上に困難。宇宙を知ることと等しい。今経営している会社が他の惑星でも再現可能なのか考えるだけで、事業は好転する。