宇宙や生命について考えたことを書いてみる

宇宙や生命についてのエッセイです。事実に基づき書いているつもりですが、間違い、調査不足だったりすることもあるかと思います。また、筆者の妄想モードの場合は、予めそう書きますのでご了承ください。ゆるい感じで楽しんで頂ければ何よりです。

生物の定義について考えてみた

■「生物」とは何か。
「生物」とは何かを考えてみた。ちなみに「生命」ではない。「生物」と「生命」の違いについては今回のポイントではないのでまたの機会にでも。今回は「生物」の定義についてである。
生物の定義について昔教わったかもしれないが、すっかり忘れているのと、ひと昔前なのでその間に新たな発見があり定義も変わっているかもしれないので、色々調べてみた。すると、現在では以下の4つを定義として上げているところが多いようである。

1.外部との明確な境界があること・・・(細胞)
2.外部から物質を取り入れ内部で化学反応を行うこと・・・(代謝
3.自己複製すること・・・(遺伝子、遺伝情報)
4.自身の内部の環境を維持すること・・・(恒常性、自己修復)

各条件の後ろに()書きで付けたのは、その条件を表すキーワードである。
この4つ以外の条件を上げるとするならば、生長(成長)することや、外部環境の変化に合わせて進化していくこともあると思う。ここでいう進化は、個々の個体が進化するという意味ではなく、何世代も子孫を作るうちに起こる変化のことである。
なので、5番目の条件として、

5.生長・成長や進化すること

を敢えて上げてみたい。

何年か前に、ドラえもんが生物であるか否かの論争があったらしい。きっかけは2013年2月に実施されたとある中学入試の問題だった。

「『ドラえもん』が生物として認められることはできないことを理由をあげて説明せよ。」

という趣旨の問題が出題されたのに端を発し、ネット上でも様々な議論が展開された。
これもよくよく問題の背景を調べてみると、その問題はその前段で生物の定義がいくつか上げられていて、それを引用して生物でないことを説明すればよい問題であったようだ。
この問題の解答だが、「ドラえもんは成長しないし、また子を作らないため生物ではない。」という趣旨を記載すれば正解だったようだ。


■どの条件が最も生物の核心をついているか
さて、5つの条件のうち、どれが最も生物を生物たらしめる条件なのか。
改めて5つ並べてみる。

1.外部との明確な境界があること・・・(細胞)
2.外部から物質を取り入れ内部で化学反応を行うこと・・・(代謝
3.自己複製すること・・・(遺伝子、遺伝情報)
4.自身の内部の環境を維持すること・・・(恒常性、自己修復)
5.生長・成長や進化すること・・・(成長、進化)

僕が思うに3番の「遺伝情報を持っていて自己複製すること」が最も核心をついているのではないかと考えている。
1番の条件は、生物の条件というよりある一つの物体であるための条件であるし、2、4、5番の条件は、仮にその条件を満たさなかったとしても生物であることはあり得る。細かく書くと長くなりそうなので割愛する。

3番の条件をさらに突き詰めると「遺伝情報を持っていること」が核心ではないかと思う。
生物の条件を端的に一言でいうならば、

・遺伝情報を持っていること

だと言える。シンプルで分かりやすくないだろうか。

ところで、地球上の生物の場合、この遺伝情報をどこに持っているかというと、遺伝子すなわちDNA(注1)である。よくよく考えてみると遺伝情報を保持するためにDNAは必須なのだろうか。DNA以外の状態で遺伝情報を持つことはできないのだろうか。
ちなみに、ヒトのDNAの情報量はどれくらいだろうか。ヒトのDNAに使われる塩基は4種類あり、全部で30億塩基対と言われている。これを2進数で計算すると、750Mbyteとなる。CD-ROM1枚に入る情報量である。
地球上の生物は全てDNAを持っている。もし、DNA以外の形で遺伝情報をもつものがいたとするならば、それは生物なのかそうでないのか。もしかすると、広い宇宙の中には、DNA以外何らかの状態で遺伝情報を持ったものがいるかもしれないと考えると怖いような楽しいような気がする。

 

(注1)厳密に言うと、遺伝子とDNAは別物である。DNAの中の一部に遺伝子がある。
以下に言葉の定義を整理したものを記載する。
[言葉の定義]
染色体:DNAが巻き付いた棒状の固まり。細胞の中にある。
DNA:デオキシリボ核酸という物質。Deoxyribo nucleic acidの略。二重らせん構造をとる。
遺伝子:DNAの中で、遺伝情報をもっている部分。
遺伝情報:生物をつくるための設計図のような情報そのもののこと。
ゲノム:遺伝情報の全体。遺伝子が持っている情報に着目した言葉。

 

地球外文明の数について考えてみる(続)

 改めて地球外文明数について少し考えてみた。
過去にドレイクの方程式について書いたブログはこちら

以下は上記ブログからの抜粋になる。

ドレイクの方程式は、単純な掛け算で表される。少しパラメータの数が多いだけだ。
様々なパラメータを掛け合わせることで、最終的に、銀河系に存在する通信可能な地球外文明の数(N)が求められる。

 

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  ドレイクの方程式

N  :我々の銀河系に存在する通信可能な地球外文明の数
R* :我々の銀河系で恒星が形成される速さ(銀河系内で年間当たりに発生する星の数)
fp :惑星系を有する恒星の割合
ne :ひとつの恒星系で生命の存在が可能となる範囲にある惑星の平均数
fl :上記の惑星で生命が実際に発生する割合
fi :発生した生命が知的生命体にまで進化する割合
fc :その知的生命体が星間通信を行う割合
L  :星間通信を行うような文明の推定存続期間

この式を提案したドレイク博士自身は、どういう値を入れているのか気になっていたところ、コズミックフロントネクスト(NHK BS、H28年4月7日放送)の中で、ドレイク博士自らが計算していた。
http://www.nhk.or.jp/cosmic/broadcast/160407.html

博士が入れていた値は以下のようなものだった。

R* :20
fp :0.5
ne :2
fl :1
fi :1
fc :1
L  :1000

これらの値を入れると、銀河系内の地球外文明の数(N)20,000が出てくる。

 

 

 ここで改めて各パラメータの値を具体的に見てみる。
すると、
fi :1
というのが気になってくる。ここが1になるということはすなわち、ある惑星に生命が発生したら必ず知的生命体にまで進化することになる。地球においてはそうかもしれないが、果たして他の惑星においても当てはまるのだろうか。アメーバのような原始生命体が発生したとしても、あまりに過酷な環境であればその生命体は知的生命体にまで進化できるだろうか。近くの恒星からの熱、放射線やもしくは惑星そのものが持っている資源の枯渇、また隕石の衝突など様々な阻害要因が考えられる。

 また、
L  :1000
についてはどうだろうか。この値は、星間通信を行うような文明の推定存続期間が1000年であることを示している。星間通信を行うような文明になったとしても平均1000年程度で滅んでしまうとドレイク博士は考えているのかもしれない。
星間通信を行えるだけの技術力を持っていながら、実際には行わないということもあるだろう。自らの意志で星間通信を行わない生命体もいるかもしれない。生前のホーキング博士も言っていた。むやみに宇宙へ向かって発信すべきでないと。相手が何を考え、どういう行動を取るか分からないにも関わらずこちらから情報を発信するのは危険であると博士は考えていたようだ。ネット上で誰が見ているのか分からないのに自分の居場所を知らせるのは危険だ。それと同様かもしれない。そんな理由で星間通信を行わない文明もあるかもしれない。

上記2点を鑑みてfiとLのパラメータ値を以下のように変えて計算してみる。
fi :0.01
L  :10000

 これらの値を入れて、銀河系内の地球外文明の数(N)を計算してみると2,000となった。ドレイク博士自身の計算より1桁小さくなった。
この値を大きいと見るか、小さいと見るか。1桁小さくなったといっても2,000である。地球以外にも文明があるのではないだろうか。
ホーキング博士の研究により宇宙や地球外知的生命体の謎の解明が大きく進んだことは間違いない。今後も第2、第3のホーキングが生まれ、宇宙の解明が進んでいくだろう。

(追記)
2018年3月14日、スティーブン・ホーキング博士が亡くなりました。ここに謹んで哀悼の意を表します。

 

将棋電王トーナメント開催前に考えてみたこと

第5回将棋電王トーナメント(2017年11月11-12日開催予定)が始まる前に、改めて今年開催された第27回世界コンピュータ将棋選手権(2017年5月3-5日)を見てみた。
優勝ソフトがどうなったかの結果については既に知っていたので、優勝が決まった事実上の決勝戦(Ponanza Chainer(※1) VS elmo(※2))を見てみたかったからだ。

 

AI同士の将棋は究極の棋譜に近づいているのは間違いないと確信した。駒がぶつかっての中盤以降、解説のプロ棋士の方も驚くような手を両者とも繰り出していた。例えば、角を一番隅に打つ(効きが少なくなるので普通はあえて打たない)、駒損を覚悟で角を切る、駒得になるのに放置して攻め込むなどなど。詳しくは強い方の解説にお任せだが、見ていて「え!」となることが非常に多かった。
AI同士の戦いなのに、そこに人間同士が戦っているかのような錯覚を覚えた。そこに心動かされるものがあったのは間違いない。よく考えてみると、ある事象に関して心動かされるか否かは受けて側の解釈でしかない訳である。ここを突き詰めていくと、生命とは何かのヒントになるかもしれない。ただ、この話を広げていくと最終的に人間原理の話に行き着いてしまいそうなので、今回はこれ以上は触れない。

 

さて、将棋について指し手が全て計算しつくされたとしたら、先手後手どちらが勝つかが解明されたことになる。しかし、これには天文学的な計算量が必要なため解析されていないのが現状だ。
ただ、想像することはできる。
将棋の最善手を突き詰めていくと、最終的には引き分け(千日手または持将棋)になるような気がする。引き分けには2パターンある。千日手持将棋である。千日手とは同じ局面が4回現れた時点で成立する。もう一つの持将棋というのは先後両方が入玉して(相入玉)、これ以上やってもどちらも詰まない状態になるものである。この時、将棋のルールでは、それぞれの駒を点数化(大駒5点、玉を除くそれ以外の駒1点)してどちらも24点以上あれば引き分けというルールが適用される。(参考までに、初期配置の状態で計算をすると、それぞれ27点づつ持っていることになる。)
AI同士が最善手を指し続けるとするならば、このどちらかのパターンに収束していき、結果引き分けになるのではないだろうか。

 

これはあくまでも現時点の条件(例えばマシンパワーの上限や将棋AIの作り(探索、学習、評価の仕組み)など)の場合の推察であり、コンピュータのアーキテクチャが変わって、今の計算量と比較にならないくらいの計算量が実現できたなら話は変わってくる。
その時は、10の226乗(※3)と言われる全パターンが計算しつくされること(完全解析という)になるので、結論が出ているはずである。ちなみに、計算量の少ない順に、オセロ(6×6盤)→オセロ(通常の8×8盤)→チェス→将棋→囲碁(通常の19路盤)である。
計算量が増えていくに従って、計算時間も比例して長くなっていく。少しオセロの場合で計算してみる。
オセロ(6×6盤)の完全解析にかかった時間が5日半なので、オセロ(8×8盤)ではその10の12乗が必要になるとの見積もりがある(※4)。これを計算すると、5,500,000,000,000日(約151億年)となる。なんと宇宙が出来てからの時間(現在138億年と言われている)を超えてしまった。それより更に計算量の多いチェス、将棋、囲碁は言わずもがなである。


つまり、今のコンピュータのアーキテクチャで計算するのは無理なのがよく分かる。まだ見ぬ新しい方法で完全解析される時がくるのだろうか。SFに出てきそうな0手で先手投了(もしくは先手1手指したところで後手投了)という時代はくるのだろうか。

 

(※1)
「Ponanza Chainer」の公式紹介文はこちら↓「Chainer」というDeep Learningを使用しているとのこと。

http://www2.computer-shogi.org/wcsc27/appeal/Ponanza_Chainer/Ponanza_Chainer.pdf

(※2)
「elmo」の公式紹介文はこちら↓

http://www2.computer-shogi.org/wcsc27/appeal/elmo/elmo_wcsc27_appeal_r2_0.txt

ちなみに参加ソフト一覧のページはこちら↓

第27回世界コンピュータ将棋選手権

(※3)
完全解析に必要な計算量(ゲーム木の複雑性)は、オセロ(6×6盤)で10の30乗、オセロ(通常の8×8盤)で10の58乗、チェスで10の123乗、将棋で10の226乗、囲碁で10の400乗と見積もられている。参考までに、盤面状態の種類は、オセロ(通常の8×8盤)で10の28乗、チェスで10の50乗、将棋で10の71乗、囲碁で10の160乗と見積もられている。

(※4)
縮小版オセロにおける完全解析(情報処理学会研究報告より)↓

https://www.ipsj-kyushu.jp/page/ronbun/hinokuni/1004/1A/1A-2.pdf

 

地球の生命の始まりについて考えてみる~宇宙・生命定番の疑問シリーズ~

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宇宙や生命の定番の疑問の一つに次のものがある。
「地球上の生命はどうやって生まれたのか。」

数年前こんなニュースがあった。
2013年11月、何も無かった海面に海底火山の噴火により突如新しい島ができたというものでる。小笠原諸島で噴火が起こり溶岩流が噴出してそれが固まり島となったものが西之島新島である。
この島に生命はいるのか。
噴火でできた無人島には生命はいない。しかし、これは島ができて始めの頃の話である。生命のいなかった島にも時と共に草や木、動物や昆虫もいるようになる。これらの生命はどこからきたのか。実は島の周りから生命がやってくるのである。海流によって流れてきた流木や流木の中に産み付けられた昆虫の卵、風によって飛ばされてきた草木の種。鳥は自らの羽で飛んでくる。小笠原諸島に元々ある父島などの島々の生命もそうやって周りから流れ込んだ。

さてここで当初の疑問に戻る。
「地球上の生命はどうやって生まれたのか。」

小笠原諸島の話を宇宙規模に拡大して考えてみる。すると、地球の周りから生命(もしくは生命の種)がやってきたと考えられないだろうか。それがパンスペルミア説である。
地球の原始の海の中でアミノ酸ができたかもしれない。ただそれだけでは、アミノ酸をより高度な有機体へ進化させるのはかなり困難な気がする。地球上の生命は多種多様な種の広がりと急激な進化をしてきた。原始のアミノ酸に地球外からなんらかの形でやってきたDNAがアミノ酸と結びつき始めて生命になったのではないだろうか。
そのDNAは元々どこにあり、またどこからやってきたのか。

そんなことを考えながら夏の夜空を見上げるのもまた楽しいものである。

 

カッシーニ、最後のミッションへ!

土星探査機カッシーニが最後のミッションに入っている。
カッシーニは、1997年に打ち上げられ、これまでに数多の土星やその衛星の写真を送ってきた。
20年間稼働してきてきたカッシーニだが、ついに2017年9月15日、土星大気圏にダイブしてその使命を終える予定だ。

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写真.土星の輪をくぐりこれまでで最も近い位置から撮影した土星
(引用元:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
今後もカッシーニは何度も土星土星の輪の間をくぐるそうです。どんな写真が送られてくるのか楽しみです。

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写真.土星の北極
(引用元:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
こんなふうに六角形が見えるんですね。驚きです。自転とジェット気流の関係で六角形がつくられるとか。

ちなみに、木星の南極を撮った画像もあります。

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写真.木星の南極
(引用元:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
こちらの写真もカッシーニ木星でフライバイした時に撮ったもののようです。

木星といえば木星探査機ジュノーだ。
こちらも木星やその衛星の写真を送ってきている。

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写真.木星
(引用元:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/John Landino)

また、先日のNASAの会見で、土星の衛星エンケラドスと木星の衛星エウロパに関する発表があった。
エンケラドスやエウロパの厚い氷の下に海があり、そこには水素分子もあることが発表された。
2017年4月14日のNASAの重大発表~海のある世界~

www.nasa.gov
BBCニュース(和訳)はこちら

土星の衛星に「生命育む環境」 米NASAなど水素分子を確認 - BBCニュース

 

過去にエンケラドスについて書いたブログはこちら

sohsan.hatenablog.com
水素分子は微生物のエネルギー源となる。エンケラドスの海底には、熱水噴出孔が存在しているとのことだ。地球ではこうした噴出孔には、生物が存在している。

こうなってくると、太陽系内に地球以外の生命体が見つかってもおかしくないと思う。今まさに生きて動いている生命体を見つけるのは難しいと思うが、遠い過去に生命体がいた痕跡や化石が見つかるのも時間の問題ではないか。生命体といっても、知的生命体ではなく、初期の生命体である微生物のようなものである。
もっと妄想を膨らますと、先ほどのエンケラドスやエウロパにおいて、NASAは既に生命体の痕跡を見つけているのではないか、とまで勘ぐってしまう。これまでの、地球以外の岩石惑星のイメージは生命の源である「水」がなく、いわゆる「死んだ星」のイメージが強かった。生命がいるようにはとても思えないイメージだった。しかしながら、ここ数年でこれまでの常識を覆すような発見が続いている。今後、生命発見の報道があることを心して待っていたい。

(参考リンク)
カッシーニ
NASAカッシーニのサイト

Cassini: The Grand Finale

NASAカッシーニtwitter

CassiniSaturn (@CassiniSaturn) | Twitter

NASAジェット推進室(JPL)のtwitter

NASA JPL (@NASAJPL) | Twitter


■ジュノー
NASAジュノーのサイト

Juno | NASA

Mission Juno

NASAジュノーのfacebookr

http://www.facebook.com/NASAJuno

NASAジュノーのtwitter

NASA's Juno Mission (@NASAJuno) | Twitter

 

NASAが緊急発表。39光年先に地球に似た7つの惑星を発見!

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先日(2017年2月23日)、NASAが緊急発表しましたね。NASAは太陽系から39光年離れたところに地球に似た7つの惑星を見つけた。トラピスト-1(TRAPPIST-1)と名付けられている。

ニュースは例えばこちら

natgeo.nikkeibp.co.jp


本家NASAの発表はこちら

www.nasa.gov

 

www.nasa.gov


7つの惑星は地球に良く似ていて、そのうち3つはハビタブルゾーンにある。
過去にハビタブルゾーンについて書いたブログはこちら

sohsan.hatenablog.com
ハビタブルゾーンにある惑星は、水が液体で存在している。つまり、海がある訳で、生命誕生の条件を満たす。
生命の痕跡が見つかった訳ではないが、その可能性は高くなった。

■トラピスト-1の「太陽」とは?
今回、話題になっているトラピスト-1は「赤色矮星」である。
僕らが見ている「太陽」と比べるとかなり様相が異なる。
まず、大きさについては太陽の1/10だ。このため、重力も小さいため、7つの惑星の公転軌道も小さくなる。7つの惑星の公転軌道は、太陽系の水星の軌道よりさらに内側にすっぽり入ってしまう。

トラピスト-1と太陽系を比較した図はこちら

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(引用元)NASA/JPL-Caltech

赤色矮星が恒星全体のどれくらいの割合を占めているかが気になったので調べてみたところ、全体の7割も占めているとのこと。
しかも赤色矮星の寿命は長く、宇宙が始まってから寿命を迎えた赤色矮星はないらしい。

赤色矮星について詳しくはこちら(リンク先:Gigazine

gigazine.net
赤色矮星は恒星の主流といってもよい。赤色矮星に今回の発見のように地球に似た惑星がいくつもあるということになると、その惑星に衛星もあるわけで、海のある惑星・衛星は数え切れないほどあることになる。
地球外生命の発見の可能性がますます高まったわけで、今後が楽しみである。

■トラピスト-1の惑星群
トラピスト-1の7つの惑星は、赤色矮星のかなり近くを公転しているため、一番外側の惑星でも公転周期が20日程度である。そのため、地球と月の関係のように、惑星は常に同じ面を赤色矮星側に向けている。つまり、常に昼側と夜側の2面になっているようだ。しかしながら空気があれば、その対流等でうまく熱が循環している可能性もある。これからの大気の存在や成分の観測が待たれるところである。
また、惑星と恒星の距離が近いため、惑星から見る赤色矮星の大きさは、地球から見る太陽の6倍程度のサイズで見えるらしい。その色も夕焼けのような赤やオレンジ色に見える。

トラピスト-1のそれぞれの惑星にそれぞれに生命が誕生していたらと考えてみるとなんだか楽しそうである。惑星ごとに生命の進化過程が異なっているのかとか、知的生命がいるとするなら、同時期に存在しているのか、同時期ならばどんな交流をしているのか等想像は尽きない。

(リンク先)TRAPPIST-1(NASAサイト内)

exoplanets.nasa.gov
(おわり)

 

宇宙の定番の疑問の一つ「時間とは何か」を考えてみた

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「時間とは何か」
これもまた宇宙を語る時によく出てくる疑問の一つである。
考えても考えても答えは出ない。
しかし、分かっていることからいろいろ想像することはできる。

相対性理論
相対性理論によると時間は伸び縮みするものである。
この辺りを書き出すとどんどん専門的になっていくので割愛するが、とにかく光速に近づけば近づくほど、時間は相対的にゆっくり流れることになる。
(ちなみに、僕のような素人には、次のNewton別冊とかが分かりやすい。)

 

 


最高速度が光速で移動できる乗物に乗り込んだならば、乗物の外の時間はゆっくりに見えるはずである。その乗り物に乗っている人をAさんとし、その乗り物を外から観測している人をBさんとするならば、Aさんにとっての1秒はBさんから見ると1秒以上になる。乗物が光速に近づけば近づくほど、その差は大きくなり、ついには無限大になるはずである。

■それでも時間は伸び縮みする
この「時間が伸び縮みする」ということが頭では解っても普段の感覚からするとなかなかしっくりこない。実体験を伴わないことを肌感覚で理解するのはなかなか難しいものです。しかしながら、いろいろ考えるうちに、「!」となることもあると思います。

さて、ここで思考実験だが、時間に粘度があると考えてみたらどうだろうか。粘度というのは、粘り気具合を示すパラメータだ。例えば、水と油を比較すると油の方が流れにくい。油のほうが水より粘度が高いという。
時間を水のようなものだと考えてみる。
水に片栗粉を入れていく状況を想像してみると、片栗粉を入れていくに従ってどんどん流れにくくなっていく。粘度が徐々に高くなっていくわけだ。
同じように、時間に粘度があると仮定する。粘度が高い場合、時間がゆっくり進むとする。逆に粘度が低い場合、時間が速く進む。最も粘度が高い状態は時間がほぼ止まっている状態となる。

宇宙の始まりにはインフレーションがあり、続けてビックバンがあったとされる。この時、空間と共にに時間が始まったとする説がかなり支持されている。4次元時空として宇宙が膨張を始めたとする説である。インフレーションでは、ある一瞬に、ある1点が一気に膨張したと考えられている。この時、時間も始まったとするならば、時間の進み方は、最も早かったと考える。すなわち、時間の粘度は最も低かった。その後、時間の粘度は徐々に高くなっていき、時間はゆっくり進むことになる。そして現在に至る。
本ブログの前半で書いたように時間は伸び縮みするので、相対的に考えると、現在の1秒は、インフレーション時の1秒の何万倍、何億倍にあたるのではないだろうか。つまり、現在の時間感覚から見ると、インフレーションは一瞬だったと言える。これが、何倍にあたるか分かれば、現在が宇宙が始まってから終わりまでのどの辺りにいるのがわかるのではないかという気もしてくる。
さて、今後、どうなるかということだが、徐々に時間の粘度は高くなっていき、ますます時間はゆっくり流れるようになるのではないだろうか。宇宙の最後は時間がほぼ止まった状態になるのではないか。ビッグフリーズ、ビッグチリといった言葉も最近聞くが、時間については特に触れられていないように思う。

まとめると、宇宙の始まりの時が最も時間の粘度が低く時間は速く流れた。そこから後は徐々に粘度が高くなり、最終的に粘度が最も高くなった時に時間は最もゆっくりになる(もしくは止まる)。現在はその途中の段階にある。ということになる。粘度をパラメータとして表すことにより、現在が宇宙の始まりから終わりのどの辺りかを計算できないだろうか、ということである。

今回はかなり妄想モードでしたが、最後までお付き合い頂きありがとうございました。
(おわり)