ビッグバンは通常、空間と時間でさえ、すべての始まりであると考えられています。しかし、空間と時間の新しい理論は、ビッグバンが実際には以前の宇宙からのビッグバウンスであったという根本的に異なる状況を示しています。一部の理論家は、ビッグバンの前にさかのぼって調査し、私たちの宇宙の前に宇宙について知ることができるかもしれないとさえ主張しています.これらの主張は、プランクの打ち上げによって検証されようとしています。プランクは、宇宙が終わりのない一連のサイクルの最新の兆候を検出できる軌道観測所です。
ビッグバンの前に何が起こったのでしょうか?これは、スティーブン・ホーキングの同類でさえ、答えのないものとして却下した非常に困惑する質問です。しかし、空間と時間の基本的な性質に関する私たちの理解が飛躍的に進歩したことで、理論家たちは、過去を覗き込んで宇宙の始まりを、さらにはその前にさえ見ることができるかもしれないと示唆するようになっています。
現在、ビッグバンは宇宙が初めて誕生した瞬間ではなく、宇宙の誕生と死の果てしないサイクルの最新の出来事であるという信念が強まりました.もし宇宙が私たちの宇宙よりも前に存在していたなら、これは確かに何らかの形で生命も存在していた可能性があることを意味します。ビッグバンの余波を前例のないほど詳細に研究し、約 137 億年前の今日の宇宙の創造の手がかりを探している周回観測所です。創造。ほぼ 1 世紀前にその可能性が示されていましたが、科学者によって真剣に受け止められるようになったのは今だけです。アルバート アインシュタインは、一般相対性理論 (GR) と呼ばれる彼の重力理論を宇宙に適用したとき、空間が無限で、静的で、永遠であると予測することを期待していました。しかし、彼の方程式は、無限のサイクルを経る宇宙を含む、多くの可能性のある宇宙を明らかにしました.
そのような宇宙は、ビッグバンの前に何が起こったのかという謎への解決策を提供しました.しかし、このアイデアは、1930 年代に米国の物理学者リチャード トールマンによって明らかに致命的な打撃を受けました。彼は、宇宙内の放射線の量がサイクルごとに増加し、それぞれがより長く続くと主張しました.しかし、私たちの宇宙が無数に存在する最新の宇宙であるとすれば、今では無限の量のエネルギーを含んでいるはずですが、そうではないことは明らかです。
しかし、トールマンの主張には重大な欠陥が含まれています。ある宇宙が別の宇宙から出現する瞬間に、アインシュタインの方程式が信頼できると仮定していますが、そうではありません。代わりに、彼らはビッグバンの正確な瞬間に大騒ぎし、「特異点」と呼ばれるゼロ体積での無限に高い温度の状態を予測します。これは非常にありそうもない状態です。したがって、それぞれの宇宙周期の間に放射線に何が起こったのか、誰も確信することはできません.
理論
周期的な宇宙を説明できる 2 つの対立する考え M 理論
宇宙のすべての力と粒子について単一の統一された説明を作成しようとする試みは、私たちの 4 次元の宇宙が無限の多次元の「膜」(したがって「M」) の一部である可能性をもたらしました。 –または略して「ブレーン」。これによると、ビッグバンは、条件が無限の値を達成し、標準理論が崩壊する「特異点」として知られる、宇宙全体が単一点に詰め込まれた瞬間ではなくなりました。代わりに、この瞬間は、2 つのブレーン間の衝突の結果であると想定され、ビッグバンと呼ばれる膨大な量のエネルギーが放出されます。問題のある特異点を回避するだけでなく、M理論は、ビッグバンの前に何が起こったのかという問題は、ブレーンの衝突の前に何が起こったのかを尋ねることになる.そして 1 つの可能性は、過去に無数の衝突があり、それぞれが新たなビッグバンを引き起こしたというものです。
ループ量子重力 (LQG)
アインシュタインの空間、時間、重力の概念を量子論と統合しようとしたもう 1 つの結果であるループ量子重力は、時空を、一緒に作用して私たちが何かを作成するためのサブアトミック ループで構成された一種のファブリックであるという見解に導きます。重力の「力」と呼んでください。 M 理論と同様に、ビッグバンに適用された場合、LQG には従来の重力観を崩壊させる厄介な特異点がなくなります。しかし、M理論とは対照的に、LQGはビッグバンの前に何が起こったのかをより明確に説明しているように見え、以前の宇宙の再生をもたらすための追加の推測はほとんど必要ありません. LQGによると、ビッグバンは実際には「ビッグバウンス」の半分に過ぎず、以前の宇宙が崩壊してから再膨張して新しい宇宙を形成した.特異点のように、無限の密度と温度の点まで崩壊するのではなく、小さくても有限のサイズに到達し、高くても有限の温度と密度に到達します.
2 つの理論の物語
しかし今、理論家たちは特異点の問題を解決し、周期的な宇宙のアイデアに新しい命を吹き込んだと考えています。これはすべて、アインシュタインの理論を量子論 (亜原子の世界の法則) と組み合わせることで、アインシュタインの理論の問題を解決することを目的とした研究のブレークスルーによるものです。このような「統一された理論」を考案することは単純ではないことが証明されていますが、現在までに、M 理論とループ量子重力 (左の「理論」を参照) という 2 つの候補が浮上しています。モデルは 1999 年に始まり、理論家のプリンストン大学の Paul Steinhardt 教授と当時ケンブリッジ大学の Neil Turok 教授が、ビッグバンは M 理論と呼ばれる多次元オブジェクト間の果てしない一連の衝突の 1 つにすぎないと示唆したときに始まりました。 「ブレーン」。 Steinhardt と Turok は、それぞれの「ビッグ バウンス」が特異点状態を回避し、周期的な宇宙の以前の理論を破壊した放射線の蓄積も回避すると計算しました。火'。しかし、その明らかな魅力にもかかわらず、理論家たちは、真正宇宙理論が M 理論に依存しているため、それ自体はまだ初期段階にあるため、非常に投機的であると指摘しています。 「ブレーンが衝突するときの状況をよりよく理解するなど、取り組む必要のある未解決の問題がいくつかあります」と、カナダのペリメーター研究所のパラムプリート シン博士は述べています。ループ量子重力 (LQG) として知られる M 理論の主要なライバルとなるビッグバン。過去 20 年間に開発された LQG は、M 理論よりも数学的に厳密ですが、ビッグバンについて広く類似した見解を生み出します。 Singh と彼の共同研究者による計算では、LQG が特異点のない「ビッグ バウンス」を通過する宇宙も生成することが明らかになりました。したがって、周期的な宇宙のアイデアは、M 理論の奇抜な奇妙さだけではないように思われます。
しかし、LQG のより大きな力により、ビッグバウンスの前に何が起こったかを垣間見る可能性が開かれます。当然のことながら、これまでの結果は非常に物議を醸しています。
当初、理論家は以前の宇宙の状態をある程度の自信を持って調査できることを望んでいましたが、亜原子または「量子」効果を突き止めるのは難しいことで有名であり、ビッグバンが起こったときに重要だったでしょう - この周りで何が起こったのかを正確に予測する時間はほとんど不可能です。 「ビッグバン付近の激しい量子効果は重要であり、ビッグバン以前の宇宙がどのように振る舞ったかを決定することははるかに困難です」と、米国ペンシルバニア州立大学の LQG 理論家 Martin Bojowald は言います。
過去数か月で、シンと同僚による新しい計算は、理論家に新たな希望を与えました。これらの量子効果は、私たちの宇宙とその前の宇宙が信じられないほど小さい場合にのみ重要になることを示しています。そして明らかに、私たちの宇宙は小さくありません。 「これは、一般的な研究室の物理学から容易に理解できます」と Singh 氏は言います。 「量子効果は存在しますが、その関連性は重要ではありません。」
では、以前の宇宙はどのようなものでしたか?シンと彼の同僚による計算が正しければ、銀河、惑星、そしておそらく生命でさえ、それは私たちのものと非常に似ていたかもしれません.しかし、ボジョワルドは、LQG の理論が信頼できる答えを与えることができるとは確信しておらず、以前の宇宙は私たちの宇宙とはまったく異なっていた可能性があると考えています。それ自体 – 私たち自身の宇宙に似た宇宙を作り出すことができます.そして彼らは、この理論が、ほとんどの宇宙学者が私たち自身の宇宙の最も重要な特徴の 1 つであると信じている宇宙インフレーションと一致するという発見に勇気づけられました。バン。強力な反重力効果を持つ亜原子の力場であり、大爆発後の初期宇宙の膨張につながったと考えられています。その存在は、今日の宇宙で私たちが見ることができる多くの現象を説明しています.
宇宙学者は、インフレーションを含まない理論に深く懐疑的です.そして、それは、スタインハルトとトゥロックの真正論的概念を超える決定的な利点であることが証明される可能性もありますが、彼らの理論はそうではありません.インフレーションの代わりに、彼らの理論は、2 つのブレーン間の衝突に続く比較的ゆっくりとした膨張を想定しています。最終結果は、インフレーションによって予測されたものとほぼ同じに見えるユニバースです – ほとんど、しかし完全ではありません.
浮き沈み サイクリック ユニバース:人気のサイクルがある理論
c400AD
宇宙に関するヒンズー教の説明では、「神々の戯れ」によって引き起こされた創造、破壊、再生の果てしないサイクルが説明されています1922
ロシアの数学者アレクサンダー フリードマンは、アルバート アインシュタインの重力理論である一般相対性理論の方程式に周期的な宇宙が存在する可能性を明らかにします
1934年
アメリカの物理学者リチャード・トールマンは、熱力学の法則が、宇宙が無限の量の放射線で満たされることになるため、無限に循環する宇宙を防いでいると示唆しています
1999年
理論家のポール・スタインハルトとニール・トゥロックは、宇宙の無限のサイクルを可能にする手段として、多次元の「ブレーン」を衝突させるというアイデアを思いつきました
2005
ペンシルバニア州立大学の研究者は、いわゆるループ量子重力理論がビッグバンではなく「ビッグバウンス」につながることを示しています
2008
プランク軌道観測所は、CMB のビッグバン前の状態の手がかりを探す予定です。これは、爆発によって残された熱です
プランクトーク
プランクのミッションがビッグバンから残った放射線のインフレーションの明らかな兆候を探し始めると、これらの違いが集中的な研究の焦点になろうとしています (「理論のテスト」、p58 を参照)。宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) として知られるこの放射は、数十億年にわたる宇宙膨張によってマイクロ波に引き伸ばされた原始爆発の熱の減衰です。
インフレーションは、ホット スポットとコールド スポットのパターンの形で証拠を残します。今日観察できるCMBで。問題は、インフレーション プロセスがそのパターンを ekpyrotic 宇宙から予想されるパターンと非常に似ていることです。この 2 つの違いは非常に微妙であるため、どちらの理論が正しいかという問題に対する決定的な答えを得るのは難しいでしょう。
そうは言っても、プランクはどちらか一方を支持する傾向にある印象的な証拠を得ることができるはずです。 Planck の装置は、ホット スポットとコールド スポットを分析できますが、それ以外にも多くのことができます。彼らが検出した放射線は、ビッグバンによって引き起こされた時空構造そのものに大変動の傷跡も残しています。重力波として知られるそれらは、何十億年も無傷のままであり、ビッグバンの間に何が起こったかの直接的な証拠を提供します.これらの時空の波紋は、2 つの理論のどちらが最も多くの水を保持しているかを決定する上で重要です。唯一のわずかな欠点は、今日まで、いかなる種類の宇宙重力波の証拠も発見されていないことです.
これは、CMBへの影響を通じてそのような波を検出できるプランクの装置のおかげで変わりつつあります.多くの理論家は、競合する理論の決定的なテストには、ビッグバン オブザーバーのような将来のミッションを使用して重力波を直接検出する必要があることに同意しています。それでも、初期の宇宙に関する 2 つの対立する理論の両方がビッグバンではなくビッグ バウンスを指しているという事実は、以前はほとんど否定されていた周期的な宇宙の概念を真剣に受け止めなければならないことを示唆しています。そのためには、私たちの宇宙の過去と未来を根本的に再考する必要があります。
これまで、宇宙論の教科書では、宇宙は 137 億年前にどこからともなく現れ、膨張し、その後永遠に膨張し続けたと主張されてきました。彼らはまた、数兆年後の将来、膨張によって私たちの銀河系が他の銀河から永遠に孤立したままになり、ゆっくりと長引くフェードアウトを経るという状況を描いています.
しかし、周期的な宇宙理論が正しい場合、教科書を書き直す必要があります。今日の宇宙は、終わりのないシリーズの最新のものにすぎず、今から数兆年後の別のビッグバウンスで終わり、新たなスタートとなります。だから、未来はつまらないものではないのかもしれません。次回は、宇宙の力を利用して、真に永遠の宇宙を形作る方法を学ぶことになるでしょう。
ロバート・マシューズは、アストン大学の科学の客員読者です
理論の検証
サイクリック ユニバースに関する真実を調査する 2 つの方法
プランク
10 月にアリアン 5 ロケットに搭載されて打ち上げられる予定の欧州宇宙機関のプランク衛星は、ビッグバンから残された背景熱を前例のないほど詳細に観測するように設計されています。周期的な宇宙のいくつかの理論は、ビッグバン以前に引き起こされた、いわゆる量子重力効果によって引き起こされたこの背景熱のパターンの出現を予測しています。これらの影響のヒントは地上観測所ですでに確認されていますが、それを確認するにはプランクが必要です。
ビッグバンで放出された放射線は、マイクロ波に変わるまで数十億年にわたる宇宙膨張によって「引き伸ばされ」ます。プランクは、地球から 160 万キロメートル離れた重力的に安定した地点に停車し、これらのマイクロ波を研究します。これらのマイクロ波は、重力波 (時空構造のさざ波) と相互作用して、特定の方向に振動させると予測されています。これは分極と呼ばれる効果です。プランクの 21 か月のミッション中に収集された分極信号の分析により、理論家はビッグバンとその前に何が起こったのかについて競合する理論を確認することができます。
ビッグバン オブザーバー
アインシュタインの重力理論によって予測されたが、直接観測されたことのない重力波は、ビッグバン以前の出来事についての洞察を与えることができる特性を備えた空間と時間の構造のうねりです。地上ベースの重力波検出器はすでに構築されていますが、理論によると、ビッグバンによって作成された波は、NASA がしばらくの間構築することを望んでいるビッグバン オブザーバー (BBO) などの広大な宇宙ベースの観測所を使用してのみ検出可能であることが示唆されています。 「今後数十年」.
BBO は、正三角形に配置された 3 つのサテライトの 3 つのセットで構成されます。側面は長さ 50,000km に伸び、それぞれが太陽軌道上で三角形を形成します。宇宙イベントによって生成された重力波は太陽系を通過し、時空を変化させ、衛星間の距離を変化させます。一連の衛星の間を通過するレーザー光線は、干渉の効果によって重力波を検出します。これにより、光波が互いにシフトします。ミッション中に収集されたデータを分析して、ビッグバンのどの説明が最も適しているかを確認します。
賛成と反対
サイクリック ユニバース理論を真剣に受け止めるべきですか?
はい
Martin Bojowald 教授、ペンシルベニア州立大学、米国
「標準的なビッグバンのシナリオの問題点は、有限の過去のある時点での「始まり」を予測しているように見えることです。これはアインシュタインの理論の誤った解釈であり、実際にはいわゆる特異点でビッグバンで崩壊し、何が起こったのかについて何も教えてくれません.私たちが本当に必要としているのは、この特異点のない理論であり、最も単純な代替案は周期的な宇宙であり、ビッグバンで単に方向を逆転させます。そのため、サイズが縮小していた宇宙は跳ね返って膨張し始めます。 「この転換をもたらし、特異点の問題を取り除くことができる量子重力効果があります。しかし、ビッグバンの前に何が起こったのかについての確信が失われるなど、直観に反する量子効果も生じるため、これらは両刃の剣です。ビッグバン以前の宇宙を理解するには、あえて長い外挿が必要です。ビッグバンの前に宇宙があったことを理論が教えてくれるかもしれませんが、その振る舞いに関する最も重要な問題はまだ解明されていません。」
もっと似ている
いいえ Andreas Albrecht 教授、カリフォルニア大学、米国
「周期的な宇宙とループ量子重力 (LQG) に基づくモデルの両方に関する主な問題は、ビッグバンの前に何が起こったかを理解するために使用すべき基本方程式に関する知識が不足していることです。 LQG がこれらの問題に対処するための説得力のある理論的フレームワークを提供すると確信している人は多くありません。 「また、スタインハルトとトゥロックのオリジナルのエクピロティックの概念についても、私は熱狂的ではありません。なぜなら、衝突するブレーンが、私たちが実際に観測する宇宙のような宇宙を生成するためのさまざまな開始条件を許容しないからです。彼らは循環モデルでこれを修正しようとしましたが、彼らはまだ説明の重要な部分をビッグバンの前の時代に置いています. 「しかし、このようなことを試みることは私たちが学ぶ方法であり、新しい理論的洞察と優れた観察テストの希望は、この分野に私を興奮させ続けます.」
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