むかしむかし、約 138 億年前、私たちの宇宙は量子の斑点から生まれ、1 兆分の 1 兆分の 1 未満の時間で、最初の体積の 100 万兆兆兆倍 (一部の見積もりによる) に膨れ上がりました。 2番目。その後、既知の物理法則に従って、緩やかな速度で膨張を続けました。
ビッグバン理論の現代版である宇宙インフレーションの話もそうです。この 1 回の短くて法外な成長のスパートは、既存のすべての宇宙論データにうまく適合し、宇宙の大きさ、滑らかさ、平坦さ、優先方向の欠如を説明しています。しかし、宇宙がどのように、そしてなぜ始まったかの説明としては、インフレーションは不十分です。 1980 年代に理論が登場して以来、それが提起する疑問 — 成長の急上昇がなぜ起こったのか、それがどのように起こったのか、それ以前に何が起こったのか — は宇宙論者を混乱させてきました。ニューヨーク大学の宇宙学者マシュー・クレバン氏は、「この時期にインフレがあったことを示す非常に強力な証拠があります。 「しかし、根本的にインフレが何であったかはわかりません。または、非常に多くのアイデアがあります。アイデアが多すぎます。」
宇宙の起源を理解するために、今日の宇宙論者は、「インフレトン」と呼ばれるインフレの未知の要因を特定しようとしています。エネルギーの場が空間に浸透し、それを引き離すとしばしば想像されるが、専門家によると、インフレトンは時計のように機能した。時を刻むごとに、宇宙のサイズは 2 倍になり、停止するまでほぼ完璧な時間を維持しました。したがって、クレバンのような理論家は時計職人であり、ビッグバンの時計仕掛けを再現する可能性のある何百もの異なるモデルを考案しています.
多くの宇宙時計職人と同様に、クレバンは弦理論の専門家であり、すべての距離、時間、エネルギーにわたって自然を記述しようとする「すべての理論」の有力候補です。物理学の既知の方程式は、ビッグバンの小さな、儚く熱狂的な環境に適用されると、崩壊します。ビッグバンでは、無限の空間と時間に膨大な量のエネルギーを詰め込もうと奮闘します。しかし、ひも理論はこの環境で栄え、エネルギーを拡散させる余分な空間次元を仮定しています。おなじみの点粒子は、この最高のエネルギーとズーム レベルで、1 次元の「ひも」と高次元の膜状の「ブレーン」になり、そのすべてが 10 次元の風景を横断します。これらの振動し、うねるギアが、ビッグバンの時計に動力を与えた可能性があります。
最近の午後、彼のオフィスで、Kleban は黒板に彼の最新のインフレトン デザインをスケッチしました。まず、弦の風景を描くために細い円柱を描きました。その長さは、巨視的な現実の 3 つの空間次元を表しており、その円周は、ひも理論が存在すると主張しているが、小さすぎて見ることができない 6 つの他の空間次元を意味していました。シリンダーの側面に、彼は円を描きました。これがクレバンの時計です。気泡が発生して自然に膨張する膜です。その膨張する内部が新しい宇宙を形成するにつれて、そのエネルギーは、拡大する円が円柱の円周に巻き付き、重なり合うたびに、時計のように徐々に減少します。 「ブレーン」のエネルギーが薄まると、時計の針が止まり、インフレが終わります。これは、一部の弦宇宙論者がその経済性を称賛したスキームです。 「これのいくつかのバージョンが起こることはかなりもっともらしいと思います」と彼は言いました.
Kleban は、彼または他の誰かが何かに取り組んでいるかどうかを判断するのは時期尚早であることを認めていますが、調査する計画が進行中です.
宇宙にまたがる銀河、銀河団、超銀河団の分布から、インフレトンの猛烈な刻みの記録を読み取ることができます。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所 (IAS) の宇宙学者であるマティアス・ザルダリアガが言うように、これらの構造 (およびあなたを含むその中のすべて) は「時計の間違い」の産物です。つまり、時間は本質的に不確実であるため、宇宙はさまざまな場所や瞬間でわずかに異なる速度で膨張し、密度の変動を生み出しました.時間のジッターは、粒子のペアが「インフレトン フィールド」全体に自発的に浮上し、膨張するバルーンの 2 点のように引き伸ばされるときに発生するエネルギーのジッターと考えることもできます。これらの粒子は、重力が何十年にもわたって銀河構造に成長した種子でした。今日の空の最大距離にまたがる構造のペアは、インフレーション中の最も初期の量子ゆらぎから生じたものであり、より接近した構造は後で生成されました。 IAS の理論物理学者である Nima Arkani-Hamed は、すべての宇宙距離スケールにわたるこのネストされた分布は、「時計が刻々と過ぎていたことを詳細に示しています」と述べています。 「しかし、それが何でできているかについては何も教えてくれません。」
時計仕掛けをリバース エンジニアリングするために、宇宙学者は新しい種類のデータを探しています。彼らの計算は、銀河やその他の構造が空全体にペアでランダムに広がっているだけではないことを示しています。代わりに、三角形、長方形、五角形、およびその他のあらゆる形状など、より複雑な構成に配置される傾向がわずかにあります。これは、ビッグバンの時計の量子ジッターだけでなく、はるかに意味のある回転にまでさかのぼります。
宇宙の三角形やその他の形状 (ランダムに分布する構造のペアのガウスの鐘型曲線と対比するために「非ガウス性」と名付けられた) を解き明かすには、これまでよりも正確な宇宙の観測が必要になります。そのため、ますます機密性の高い実験のタイムラインについて計画が立てられています。ジョンズ・ホプキンス大学の宇宙学者であるマーク・カミオンコフスキーは、「現在よりもはるかに多くの情報が得られ、現在調査できるよりもはるかに微妙な影響に対する感度が高まるでしょう」と述べています。その間、理論家たちは、どの形状をどのように探すべきかを決定する上で大きな進歩を遂げています。スタンフォード大学のストリング宇宙論者であり、クレバンが使用した次元巻き上げメカニズムや、彼女自身の多くの時計デザインを考案したエヴァ・シルバースタインは、「理解の偉大なルネッサンスがありました」と述べています.
▽▷△
非ガウス性に関する厳密な研究が始まったのは 2002 年で、尊敬されている IAS の修道士のような理論家であるフアン マルダセナが、「重力床」として知られるものを計算しました。これは、空に存在することが保証されている三角形やその他の形状の最小数です。 、宇宙インフレーション中の重力の避けられない影響によるものです。宇宙論者は、実験者に具体的な目標を提供することになるため、10 年以上にわたって重力底の計算に苦労してきました。底に達しても三角形が検出されない場合、マルダセナは「インフレは間違っている」と説明しました。
Maldacena が最初に重力フロアを計算したとき、実際にそれを検出することは実際には遠い目標のように思われました。当時、宇宙の誕生に関するすべての正確な知識は、「宇宙マイクロ波背景放射」の観測から得られました。宇宙マイクロ波背景放射は、ビッグバンから 380,000 年後に出現した初期宇宙の 2 次元スライスを照らす、空で最も古い光です。この 2D スナップショットに表示される発生期の構造の数が限られていることに基づいて、三角形やその他の形状で構成されるわずかな傾向を統計的に確実に検出することは不可能に思えました。しかし、マルダセナの研究は理論家に、重力よりも強い影響のために、空に存在する可能性のある他のより顕著な形の非ガウス性を計算するためのツールを与えました。そして、研究者は信号を検索するためのより良い方法を考案するようになりました.
Maldacena が計算を行ってから 1 年後、Zaldarriaga と共同研究者は、宇宙の「大規模構造」を構成する銀河の分布と銀河のグループを測定すると、宇宙のマイクロ波背景放射を観測するよりもはるかに多くの形状が得られることを示しました。 「これは 3 次元対 2 次元の議論です」と、NASA のジェット推進研究所の宇宙学者であり、大規模構造内の非ガウス性を探索する提案に取り組んでいるオリヴィエ・ドレは言いました。 「銀河の調査でできるように 3D で三角形を数え始めると、数えられる数が本当に多くなります。」
空の形を数えることでビッグバンの詳細が明らかになるという考えは、「ユニタリティ」として知られる量子物理学の中心原理に暗示されています。ユニタリティは、宇宙のすべての可能な量子状態の確率が、現在および永遠に合計されなければならないことを示しています。したがって、量子状態に保存されている情報は決して失われることはなく、スクランブルされるだけです。これは、宇宙の誕生に関するすべての情報が現在の状態で暗号化されたままであることを意味し、宇宙論者が後者をより正確に知れば知るほど、前者についてより多くのことを学ぶことができます.
しかし、ビッグバンの詳細はどのようにして三角形やその他の形状にエンコードされたのでしょうか?ザルダリアガによれば、マルダセナの計算は「それがどのように起こるかについての理解を開きました」。量子力学によって支配される宇宙では、自然のすべての構成要素が交差配線され、さまざまな確率で変形し、相互に作用します。これには、インフレトン場、重力場、および原始宇宙に存在するその他のものが含まれます。これらの場で発生する粒子は、テーブル上で散乱するビリヤード ボールのように、三角形やその他の幾何学的構成を生成するために、変形して互いに散乱します。
これらの動的イベントは、インフレトン フィールドに出現し、空全体にいわゆる「2 点相関」を生成する粒子ペアからのより平凡な量子ジッターと混合されます。たとえば、粒子のペアが他の原始フィールドで表面化した可能性があり、このペアの1つのメンバーが2つのインフレトン粒子に崩壊し、もう1つのメンバーが崩壊して単一のインフレトン粒子になり、3点相関が得られた可能性があります。空に、三角形。あるいは、2 つの謎の粒子が衝突して 4 つのインフレトン粒子に分裂し、4 点相関が生じた可能性があります。まれなイベントでは、5 ポイント、6 ポイント、さらにはそれ以上のポイントの相関が得られ、それらの数、サイズ、および内角が、それらを生成した粒子の種類と関係をエンコードしていました。ユニタリティの原理は、形状をより正確に集計することによって、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器の物理学者が既知の粒子の理論を磨き、新しい粒子の証拠を探すのと同じように、宇宙論者が原始宇宙のますます詳細な説明を達成することを約束します。衝突中に粒子がどのように変形し、散乱するかに関する統計を収集します。
Maldacena の重力底の計算に続いて、他の研究者は、多くの単純なインフレーション モデルでさえ、最低限のモデルよりもはるかに顕著な非ガウス性を生成することを実証しました。 Silverstein や Kleban のような時計職人は、それ以来、彼らのモデルが生成する三角形の明確なセットの作成に忙殺されてきました。これらの予測は、今後数年間でますます検証可能になるでしょう。進歩は 2014 年に加速し、南極を拠点とした小さな実験が宇宙の誕生について重大な発見をしたように見えました。この発表は宇宙の三角形への関心をかき立てたが、その発見は最終的に重大な失望をもたらした.
▽▷△
2014 年 3 月 17 日、宇宙インフレーションの「決め手」が検出されたというニュースが広まり始めたとき、スタンフォード大学の広報担当者は YouTube にお祝いのビデオを投稿しました。映像では、インフレーション宇宙論の先駆者の 1 人である宇宙学者のアンドレイ リンデと、彼の妻である弦理論と超重力理論家で宇宙学者のレナタ カロシュがドアを開けたところ、スタンフォード大学の同僚であるチャオリン クオが玄関先にいるのを見つけました。カメラクルー。
「ポイント 2 で 5 シグマです」とクオはビデオで語っています。
"発見？"一拍置いてカロッシュが尋ねる。リンデが「何？」と叫ぶと、彼女はクオを抱きしめ、ほとんど溶けてしまいます。
視聴者は、Kuo が共同で主導した実験である BICEP2 が、「原始重力波」として知られる時空の波紋によって刻印されたであろう宇宙マイクロ波背景放射の渦巻きパターンを検出したことを知ります。そして、これらは宇宙のインフレーション中にのみ発生した可能性があります.コルクスクリューのような粒子が重力場に飛び出し、引き伸ばされて宇宙の形に永久に凍結するからです.
次のシーンでは、リンデは妻とゲストと一緒にシャンパンを飲みます。 1980年代初頭、リンデ、アレクセイ・スタロビンスキー、アラン・グス、その他の若い宇宙学者たちは、1930年代の壊れたビッグバン理論のパッチとして、宇宙インフレーションの理論を考案しました。ビッグバン理論は、宇宙が「特異点」から外向きに膨張していると説明したもので、無意味です。無限の密度の点—宇宙が成長するにつれて、なぜ宇宙がまだらになり、ゆがんでいなかったのか説明できませんでした.宇宙のインフレーションはこれらの問題に対する巧妙な解決策を提供し、BICEP2 の発見は理論が最終的に証明されたことを示唆しました。 「これが本当なら」とリンデはカメラに向かって言います。どれどれ。これがトリックでないことを祈りましょう。」
多くの研究者にとって、この発見で最も興奮したのは、r として測定された渦巻き信号の強度でした。 =0.2。測定値は、インフレーションが非常に高いエネルギー規模で、時間の最も早い瞬間に発生したことを示しました。時間エネルギー領域の近くで、重力や弦、ブレーン、その他のエキゾチカの影響が強かったでしょう。インフレのエネルギースケールが高ければ高いほど、インフレトンとこれらの他の原始的な成分との間の交差配線が多くなります.その結果、空の三角形やその他の非ガウス性が顕著になります。
「BICEPの後、私たちは皆、今までしていたことをやめ、インフレについて考え始めました」とArkani-Hamed氏は言いました。 「インフレは、地球上で到達できるよりもはるかに高いエネルギースケールで巨大な粒子加速器を持つようなものです。」問題は、そのような加速器がどのように機能するかということでした.「そして、[インフレスケールの近くに]エキゾチックなものが本当にそこにある場合、どうやってそれを探すことができるでしょうか.」
これらの調査が開始されると、BICEP2 の分析の詳細が明らかになりました。この発見はまさに自然のいたずらであることが明らかになりました。南極にあるチームの望遠鏡は、原初の重力波の影響ではなく、渦巻く銀河の塵の輝きを捉えていました。苦悩と怒りの混合がフィールドを席巻しました。 2 年経った今でも、原始重力波は検出されていません。 1 月に、BICEP2 の後継である BICEP/Keck Array は r の値を報告しました。 0.07 を超えることはできません。これにより、インフレのエネルギー スケールの上限が下がり、弦やその他のエキゾチックな物理のスケールよりもさらに低くなります。
それにもかかわらず、多くの研究者は現在、三角形やその他の非ガウス性に含まれる情報の潜在的な金鉱に気づいていました.これらのインフレーションによる化石は、BICEP2 が簡単に約束したよりも深く埋まっているとしても、掘る価値があることが明らかになりました。 「ええ、r 少し下がった」とマルダセナは語った。しかし、彼の意見では、それほど悪くはありません:比較的高いスケールはまだ可能です.
他の研究者による以前の研究を引用した昨年春の論文で、マルダセナとアルカニ・ハメドは対称性の議論を使用して、ひも理論の重要な特徴が三角形で現れる可能性があることを示しました。弦理論は、「より高いスピンの状態」の無限の塔を予測します。つまり、弦は無限に上昇する一連のピッチで振動します。これまでのところ、「スピン」値が 2 より大きい素粒子は発見されていません。 Maldacena と Arkani-Hamed は、そのようなより高いスピン状態が存在すると、空の三角形が引き伸ばされるにつれて、信号の強度にピークと谷が交互に現れることを示しました。ひも理論家にとって、これは刺激的です。アムステルダム大学の理論宇宙論者であるダニエル・バウマンは、「そのような粒子の無限の塔がなければ、そのような粒子の一貫した相互作用理論を構築することはできません」と説明しました。空の三角形に振動パターンが見つかれば、この塔が存在することが確認できます。 「スピンが 2 より大きい粒子が 1 つ見られるだけで、ひも理論が存在することを示します。」
他の研究者も同様に一般的な予測を追求しています。 2 月に、Kamionkowski と共同研究者は、4 点相関の幾何学にエンコードされた原始粒子に関する詳細な情報を報告しました。これは「興味深い」と彼は言いました。 Arkani-Hamed、Maldacena、Kamionkowski によって予測された信号を観察することは、金を叩くようなものですが、金は深く埋もれています。それらの強度はおそらく重力下にあり、検出するには現在の機器の少なくとも 1,000 倍の感度が必要です。他の研究者は、より顕著な三角形やその他の形状を予測する特注の文字列モデルをいじることを好みます。 「これまでのところ、非ガウス性の可能性のごく一部しか調査していないと思います」と Kamionkowski 氏は述べています。
一方、リンデとカロッシュはまったく異なる方向に進んでいます。過去 3 年間、彼らは「宇宙論的アルファ アトラクター」と呼ばれるモデルのクラスに夢中になりました。このモデルは、重力床より上の非ガウス性をまったく予測しません。これらのモデルによると、宇宙のインフレーションは完全に純粋であり、孤立したインフレトン フィールドによって駆動されていました。フィールドはケーラー多様体によって記述され、これはエッシャーの天使と悪魔の絵に見られる幾何学的な円盤にマッピングされます。エシェリア幾何学は、インフレーションのエネルギー スケールの可能な値の連続体を提供します。これには、インフレトンの重力場および他の原始場への交差配線が非常に弱いほど低い値が含まれます。そのようなモデルが宇宙を記述している場合、渦巻き、三角形、およびその他の形状は決して検出されない可能性があります.
リンデはこれに悩まされていません。アルファアトラクターモデルを支持することで、彼とカロッシュは、宇宙論的起源の話が正しいかどうかを確実に知ることを犠牲にして、単純さと理論的な美しさを支持する立場を主張しています.リンデによると、アルファ アトラクターの宇宙は、アンナ カレーニナの有名なオープニング セリフに出てくる幸せな家族の 1 つに似ています。 .彼がトルストイを言い換えたように、「幸せな家族は、ある意味で似ています。しかし、不幸な家族は皆、さまざまな理由で不幸です。」
▽▷△
私たちの宇宙は「幸せ」になり、際立った特徴が完全になくなりますか?昨年ひも宇宙論に関する本を共同執筆したバウマンは、リンデやカロッシュのようなモデルは単純すぎてもっともらしくないと主張している。 「彼らはこれらのモデルをボトムアップで構築しています」と彼は言いました。 「単一のフィールドを導入し、非常に最小限にしようとしました。それは世界の美しいモデルだったでしょう.」しかし、自然界の基本理論にインフレーションを組み込もうとすると、他のすべての影響を受けずに単独で作用する単一のフィールドを設計することは非常に難しいと彼は言いました。 「ストリング理論には、これらの効果の多くがあります。それらを無視することはできません。」
そのため、三角形やその他の非ガウス性の探索が進行中です。 2009 年から 2013 年の間に、プランク宇宙望遠鏡は宇宙マイクロ波背景放射をこれまでで最高の解像度でマッピングし、それ以来、科学者は三角形やその他の形状の統計的な超過を求めてマップを精査してきました。彼らの最新の分析の時点では、何も見つかりませんでした。彼らの機器の感度と 2-D 検索の基盤を考えると、そうする外部のチャンスしかありませんでした。しかし、科学者たちは新しい方法でデータを解析し続けており、今年は別の非ガウス分析が期待されています.
ユニバーシティ カレッジ ロンドンの天体物理学者で、プランク データの非ガウス性を検索している Hiranya Peiris は、彼女と共同研究者は、どの信号を探すべきかを決定する際に弦宇宙論者から手がかりを得ていると述べました。 Peiris は、アクシオン モノドロミーと呼ばれるストリング インフレーション メカニズムのテストに熱心に取り組んでいます。これには、Silverstein と共同研究者の Raphael Flauger、Mehrdad Mirbabayi、および Leonardo Senatore によって最近開発されたバリアントが含まれており、三角形のサイズの関数として、はるかに顕著な振動パターンを生成します。 Arkani-Hamed と Maldacena によって研究されたパターンよりも。そのような信号を見つけるために、ペイリスと彼女のチームは、パターンのテンプレートを作成し、「非常に数値的に集中的で要求の厳しい分析で」データと照合する必要があると彼女は言いました. 「次に、データのランダムな変動にだまされないように、慎重な統計テストを行う必要があります。」
一部の文字列モデルは、このデータ分析によって既に除外されています。ひも理論が経験的検証から切り離されすぎて科学と見なされないかどうかについての公の議論について、シルバースタイン氏は、「私はそれが非現実的だと思います。なぜなら、私たちは現在、ひも理論で伝統的な科学を行っているからです.」
今後、宇宙論者は、宇宙の大規模構造をこれまで以上に大量に精査することを計画しています。 2020 年から、提案されている SPHEREx ミッションは、3 億の銀河の分布で非ガウス性を十分に高感度に測定し、インフレーションが 1 つのクロックまたは 2 つのクロスワイヤード クロックによって駆動されているかどうかを判断できます (シングルおよびマルチとして知られる理論のモデルによると)。 -フィールドインフレーション、それぞれ)。 SPHERExプロジェクトに取り組んでいるドレ氏は、「このレベルに到達するだけでも、考えられるインフレ理論の数が劇的に減少します。さらに数年後、Large Synoptic Survey Telescope は 200 億の宇宙構造をマッピングします。三角形の統計的存在が宇宙の大規模構造で検出されない場合、おそらく最終的な別のアプローチがあります。水素原子から放出され、最初の星の形成にまでさかのぼる 21 センチメートル線と呼ばれる超微弱な電波信号をマッピングすることで、宇宙学者はさらに多くの「モード」または構造の配置を測定できるようになります。 「宇宙全体に関する情報が得られるでしょう」と Maldacena は言いました。
三角形が表示された場合、それらは 1 つずつ、インフレータブル クロックの性質とそれがカチカチ音をたてた理由を明らかにします。しかし、手がかりを集める空がなくなる前に、十分な手がかりを集めることができるでしょうか?
統一性の約束 — 情報は混乱する可能性がありますが、失われることはありません — には注意が必要です。
「完全な測定を行うことができ、無限の空などがあると仮定すると、原則として、インフレーション中の粒子に関するすべての相互作用と情報がこれらの相関器に含まれます」、つまり 3 点相関、4 点相関など。しかし、完璧な測定は不可能です。さらに悪いことに、空は有限です。宇宙の地平線があります。それは、光が私たちに到達するのに時間がかかり、それ以上は見ることができない最も遠い距離です。インフレーション中、そしてそれ以降の宇宙の加速膨張の全歴史を通じて、渦巻き、三角形、四角形、その他の形がこの地平線を通り過ぎて見えなくなってきました.そして、それらとともに、インフレーション中の最もまれで最高エネルギーのプロセスに関連する最も微妙な信号が失われます.
Arkani-Hamed は、Maldacena との論文で、最初にこの問題についての議論を含めましたが、そのほとんどを削除しました。彼は、知識の限界の可能性を「非常に気がかり」だと考え、それを量子力学を拡張しなければならない証拠と見なしています。これを行う 1 つの可能な方法は、増幅面体に関する彼の研究によって示唆されています。これは、基礎となる幾何学の緊急の結果として、量子力学的確率 (およびそれらと共に単一性) をキャストします。彼は、半面体の類似物を空の非ガウス性に関連付ける次の論文で、この可能性について議論する予定です.
知識の限界にどの程度悩まされるかは、人によってさまざまです。 「私はより実践的です」とザルダリアガは言った。 「原理的には数十、数十、数十桁以上のモードがありますが、技術的または理論的な能力がないために測定できませんでした。したがって、これらの「原則として」の質問は興味深いものですが、私たちはこの時点よりもはるかに進んでいます。」
クレバンも希望を感じています。 「ええ、それは限られた量の情報です」と彼は言いました。 「でも、進化についても同じことが言えますよね？限られた数の化石しかありませんが、何が起こったのかについてかなり良い考えを持っており、それはますます良くなっています。」
すべてがうまくいけば、より完全な物語を語るのに十分な数の化石が空に現れるでしょう。広大な探索地が待っています。
訂正:この記事は 2016 年 4 月 19 日に改訂され、Keck Array が BICEP2 の前身ではなく後継であることを反映し、2016 年 4 月 21 日に Mehrdad Mirbabayi の姓の綴りを訂正しました。
