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宇宙の地平線を越​​えて

毎年夏の 2 週間、両親はアドリア海沿いの古い海岸沿いの町、ヴロラの海辺にある休暇用のアパートを借りていました。ギリシャ時代とローマ時代にはアウロナとして知られており、1980 年代の共産主義のアルバニア時代でさえ、訪れるべき特別な場所でした。その場所の伝統、迷信、風景に刻まれたアウロナの精神は、時間の外に浮かんでいます。町は、高い山々、ターコイズ ブルーの海、黒い岩の険しい地形に守られており、日没時には静寂に溶け込みます。不条理な夢を見る場所です。

私のお気に入りの夜のアクティビティは、人けのない砂の上に一人で座ることでした。波が音のない地平線に残り、リズミカルに岸に打ち寄せるのを見ました。夜が明けると、空と海を隔てる線がぼやけ、すべての境界が消えるまで待ちました。もちろん、地平線の彼方の世界は、鉄のカーテンの向こうにいる私たちには厳重に禁じられていることを誰もが知っていました。しかし、暗闇の中で座っていると、自由に想像することができました。アドリア海の反対側にいる子供たちは、私たちが共有した空の端に同じように魅了されましたか?やがて父がやって来て、叱責もせずに隣の砂の上に座るようになりました。それから、空との静かな会話の中で私たちの 2 つでした。やがて彼は、海と空の穏やかな魔法が解ける時が来たと言いました。

20 年後の 2009 年、私は数十人の科学者と一緒にケンブリッジ大学のケンブリッジ宇宙学カブリ研究所の一室に座り、プランク衛星の打ち上げを見ました。くぐもったざわめきが部屋を用心深い興奮で満たした。何気ない会話は、生放送の一時停止を懸念して中断されます。カウントダウンが始まると、部屋は不気味なほど静かになり、リフトオフとともに深い歓声と大きな拍手が起こりました.

プランクは、宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) と呼ばれる、私たちの宇宙の燃えるような誕生から残された穏やかな光の輝きを測定しようとしていました。 CMB は詳細なフィンガープリントであり、宇宙が存在する最初の数瞬間に視線を向け、非常に古い疑問に光を当てることを可能にします。 (標準モデルを参照してください。)この 3 月、その任務から 4 年が経過し、プランクの共同研究はこれまでに測定された CMB の最も詳細な地図をリリースしました。その詳細には爆弾がありました。CMB の明るさの分布の異常で、私たち自身の宇宙の結果ではありませんでした。ここに、豊かで広大な宇宙を指し示す、経験的に観察された隠されたコードがありました。私たちの探索範囲の限界は、突然非常に大きくなりました。私たちは多元宇宙の岸辺にいました.

他の宇宙の存在を熟考することは、新しい試みではありません。先史時代から現在に至るまで、この可能性は哲学者、作家、科学者の想像力をかきたててきました。しかし、歴史のほとんどの間、それは真剣に受け止められた考えではありませんでした.哲学的には、それは不必要な複雑さであり、私たちの起源の謎を、原則として観察できない現実の新しい層に単純に押し上げたものでした.また、科学的であるためには理論が反証可能である必要があるため、多くの科学者は多元宇宙を「真の」科学とは見なしていませんでした。審美的にも、多元宇宙は魅力的ではありませんでした。科学者たちは、自然は単純で経済的であると信じていました。 1 つのユニバースで十分だったのに、なぜそれ以上のユニバースを気にする必要があるのでしょうか。しかし、私たちの科学的理解が深まるにつれて、多元宇宙は、量子力学、インフレーション、ひも理論など、私たちが信頼し大切にしている自然理論の避けられない予測であることが明らかになりました。今日、過去の慣性と偏見に直面して、多元宇宙はついに本格的な科学研究の領域に入りつつあります.

この物語を以前に聞いたことがあるかもしれないと思っているなら、そうです。原子論者からストア派、3 世紀のキリスト教徒まで、ルクレティウスからデカルトまで、プトレマイオスからガリレオやカントまで、特別な起源を持つ単一の宇宙と、それぞれランダムな始まりを持つ宇宙の集まりとの間の戦いは、何世紀にもわたって繰り広げられてきました。同様の戦いが惑星や星をめぐって戦われました。 16 世紀、コペルニクスは、教会と他の科学者の両方からの激しい抵抗に直面して、地球を私たちの宇宙の中心から外しました。多元宇宙は、コペルニクスの物語の究極の拡張かもしれません:宇宙の全体でさえ特に重要ではありませんが、無限に多くの他の全体の中に位置しています.

マルチバースの物語には独自のコペルニクスもあります。博士論文は 50 年以上前に、宇宙全体に量子力学を適用することによって最初のマルチバース理論を公に開拓する勇気を持っていました。彼は、宇宙は最初の瞬間は小さいので、量子力学によって支配されるべきであると推論しました.波と粒子の二重性を使用して、彼は赤ちゃんの宇宙を量子波束のように振る舞う粒子であると考えました。彼は、数学的ウェーブパケット解のファミリー全体、つまり量子宇宙のファミリーを発見しました。私たちが単一の宇宙に観測的に限定されていることを知っていた彼は、私たちの宇宙の量子起源が無限に多くの他の宇宙に平等な存在の機会を与えるという考えに取り組まなければなりませんでした.

エヴェレットは、1 つを除いてすべての解を破棄する物理的基準を認識していなかったため、多くの世界の存在は量子力学の自然な結果であるという結論に至りました。彼の議論は、量子力学の創始者であるニールス ボーアの注意を引くほど強力で、彼はこの解釈に最後まで抵抗しました。物理学におけるエベレットの学歴は、彼の博士号を超えることはありませんでした。研究と多元宇宙研究は、40 年以上にわたってコールド ケースになりました。

約 10 年前にひも理論の風景が発見されたことで、多宇宙理論に対する抵抗が変化しました。ひも理論は、根底にある自然理論の最良の候補であり、11 次元の時空で動作します。しかしもちろん、私たちの宇宙には、高さ、幅、長さ、時間の 4 つの次元しかないように見えます。超弦理論の目標の 1 つは、余分な 7 つの空間次元をどうにかして取り除くことです。これは、非常に遠くから 1 次元のひものように見える 3 次元の庭のホースに似ています。

しかし、7 つの次元を丸めて残りの 4 つの次元にエネルギーを放出する方法はたくさんあります。この千年紀の初めに、可能性のあるすべての方法を使い尽くすという数学的演習により、4 次元宇宙の可能性のある膨大な数の始まりが明確に発見されました。この多数のエネルギー プロファイルは、超弦理論のランドスケープとして造語されました。風景の各エネルギーの谷は、ビッグバンによる宇宙の誕生をホストする潜在的な場所でした.多元宇宙は再び頭をもたげていましたが、今回は何十年にもわたる慎重な理論的演習の終わりでした.

ランドスケープの発見は、ひも理論の危機であるとすぐに宣言されました。主要な「すべての理論」が、単一の宇宙しか存在せず、それが私たち自身の特徴を持っていることを予測できなかったのはどうしてでしょうか?私たちの宇宙は、私たちが観察するためにここにいるので、そのようになっていると主張する人間原理は、危機から抜け出す方法として宣伝されました.当時、私は最初の教職員としての仕事を始めたばかりで、メンターは、少なくとも終身在職権を取得するまでは、すぐに結果が得られる議論の余地のないトピックに研究を集中することを勧めていました。これは善意のアドバイスでしたが、自然の最も魅力的な秘密には抗しがたい魅力もありました。私の分野が人間論的議論に強く傾倒していることへの不快感もまた、答えを計算できる科学的な形式を探すことに拍車をかけました。取る価値のあるリスクでした。

以前の研究によってなされた潜在的な落とし穴と仮定を調べた後、さまざまな異なる始まりの可能性を考慮しない限り、なぜ私たちの宇宙が選択されたのかという問題は無意味であると結論付けました.そうでなければ、「なぜこの宇宙から始めたのか」という質問は、「私たちが最初に始めなければならなかったのはこの宇宙だけだった」という答えと区別がつきませんでした。困難なステップは、超弦理論が発見した潜在的な状態の集合体からどのように選択を導出できるかを示すことでした.

私は、一連の初期宇宙全体を検討し、それぞれを風景のエネルギーの谷間を移動する波束のような粒子として扱うことを提案しました。これらの最初の宇宙は、量子力学の法則に従ってどのように進化するのでしょうか?このアプローチは仮定を立てる必要をなくし、エベレットの多元宇宙を超弦理論の風景に埋め込みます。また、ある意味、おなじみの計算でもあります。すべての初期宇宙状態のプールへの量子力学の適用は、物理学者が電子がワイヤを移動する方法を計算する方法と非常に似ています。ワイヤー内の原子の鎖のエネルギー場は、地形のエネルギー谷の鎖に対応します。電子の波動関数は初期宇宙の波束に対応します。

地形上のエネルギーの分布は、ガラスや不純で欠陥が詰まったワイヤーなどの絶縁材料内の原子サイトのエネルギーのように、非常に無秩序です。ガラスを通って移動する電子が原子サイトに閉じ込められるのと同じように、風景を横切って移動する宇宙の波束はエネルギー サイトに閉じ込められます。ランドスケープが、完全に秩序化された導線のように、低エネルギー サイトの周期的なチェーンに高度に秩序化されていた場合、宇宙は存在しません。 Wavepackes は、単一のエネルギーの谷にローカライズされませんでした。代わりに、それらは、良い導体の電子のように、ランドスケープ全体をずっと伝導していたでしょう.

私たちの宇宙は、約 10^25 電子ボルトという非常に高いエネルギーの初期状態で始まったことを知っています。原初のウェーブパケットが無秩序なエネルギー環境をさまよったことを考えると、なぜエネルギーの低い場所を選択しなかったのでしょうか?答えは単純で、地形上の波束の量子進化により、高エネルギーの初期状態だけがビッグバン爆発を起こし、大きな「現実の」宇宙になる可能性があるということです。これらの状態の進化は、成長を加速するランドスケープから得られるエネルギーと、成長を減速させ、初期状態を点に崩壊させる量子ゆらぎとの間のバランスによって支配されていました.

これらの結果は、当時は急進的であると考えられていました。しかし、すべての主張は推測や仮説ではなく、量子方程式から導き出されたものであったため、彼らは励みにもなりました。私たちの宇宙のような高エネルギー宇宙だけが選ばれた理由を説明する理論が初めて得られました。この理論はまた、前世紀の 2 つの偉大な科学体系である弦理論と量子力学を 1 つの多元宇宙に統合しました。それでも、テスト可能な予測はありませんでした。マルチバースをどのように探しますか?

答えがすぐ目の前にあることに気づいた朝のことを覚えています。それは 2005 年の初秋のことで、ここ数週間のほとんどを失望と欲求不満の状態で過ごしていました。毎日が楽観主義で始まり、問題の解決に近づいているという感覚がありました。しかし、夜の長い散歩で考え事をした後、私は必然的に、そのアプローチにいくつかの論理的な欠陥に出くわし、問題が解決できないと確信するようになりました.さらに悪いことに、その年、私は午前 8 時に大人数のクラスを教えなければなりませんでした。これは、学生や、夜に最もよく働く私のような人間にとっては容易なことではありませんでした。その日の午前 9 時に教えを終えたばかりで、スターバックスの窓からぼんやりと見つめていたとき、そのアイデアがひらめきました.

初期の頃、私たちの宇宙は他の宇宙とつながっていた、つまり「絡み合っていた」。私たちの宇宙が急速に成長し、その量子的性質を脱ぎ捨てたとき、デコヒーレンスとして知られるプロセスで、生き残った他のすべての宇宙から永遠に分離されました.しかし、ユニタリティ原理として知られる量子力学の深い原理があり、量子波のような宇宙を含むシステムに関する情報は決して失われないと述べています。この原則により、私たちの宇宙と他の宇宙とのもつれの痕跡が今日の空のどこかに保存されることが保証されました.

共同研究者である高橋朋とリチャード・ホルマンと共に、2006 年に「風景のアバター」と呼ばれる一連の論文を発表し、他の宇宙の特徴を具体的かつ経験的に予測しました。最も重要なことは、宇宙と多元宇宙の残りの部分との初期の絡み合いが、CMB の強度と、構造として知られる宇宙の周りの物質の分布に独立した変動源を追加したことを実証したことです。さらに、エンタングルメントの強さを計算し、その効果が大規模で観察できることを示しました (多元宇宙の 9 つの秘密コードを参照してください)。

私たちが作品を発表したとき、これらの予測が私たちの生涯で確認されるとは夢にも思いませんでした。驚くべきことに、9 つのうち 8 つがわずか 7 年以内にテストされ、すべてがデータと一致していました。ちょうど今年の 3 月、プランク衛星データは、これらの予測のうち 7 つを一気にテストすることに成功しました。約 1 兆電子ボルトのエネルギーで超対称性 (SUSY) の破れがないことが大型ハドロン衝突型加速器によって確認され、9 番目の予測と一致しました。 2 つのプランク チームの論文が相反する結論を導き出しているため、ダーク フローの予測だけが議論の対象になっています。まとめると、これらの 9 つの予測はすべて、単一の理論的枠組みに由来するため、理論の非常に厳しいテストを表しています。これらの予測は、特定のデータ セットに適合させるために、他の 8 つの予測とは独立して変更することはできません。データがすべてを確認しなければ、理論は除外されます。

宇宙マイクロ波背景放射の以前の 2 つの測定 (1992 年の COBE と 2007 年の WMAP) では、プランクによって測定されたものと同様の異常が観察されましたが、信頼度は低くなりました。プランク異常が過大評価されていることが判明するかもしれません。その場合は振り出しに戻ります。しかし、異常が確認され、多元宇宙を初めて垣間見ることができれば、私たちは驚くべきことを達成したことになります。他の宇宙の証拠を発見するだけでなく、ひも理論の最初のテストも発見することになるでしょう。より広く言えば、複数の宇宙の存在は、私たちが宇宙について最も大切にしている概念のいくつかを再訪して直面し、現実の新しい存在論を開発することを要求します.すべての宇宙は同じ根底にある時空の構造に住んでいますか?ビッグバンの前に時間の概念はありましたか?私たちの宇宙と絡み合っていない宇宙を検出できますか?自然の法則を決定するものは何ですか?エキサイティングな時間になるでしょう。

2013 年、私は 3 歳の娘を連れてヴロラのお気に入りの場所に戻りました。私は彼女を注意深く見ました。彼女はそこにいることに興奮しているようで、完全にのんきで、あらゆる方向に砂と水を飛ばしてとても幸せでした.政治的にも科学的にも、わずか1世代で私たちがどこまで到達できるのか、なんと驚くべきことだろうと私は思いました。いつもの沈黙は、彼女の伝染性の笑い声に取って代わられました。彼女はすでに知っていたので、アドリア海の向こうにあるものについては興味がありませんでした。彼女はそこにいました。そしてその次の場所へ、その次の場所へ、はるばる海を渡って。彼女の年齢では、私は決してそうしないと思っていました。しかし、彼女は想像力と発見の限界を受け入れない別の世代に属しています。地平線がぼやけ、海と空が融合したとき、私の考えは再び壊れた境界に変わりました.

Lau​​ra Mersini-Houghton は、ノースカロライナ大学チャペルヒル校の物理学准教授です。


参考文献

1. Planck コラボレーション (Ade P.A.R. et al. ) Planck 2013 の結果。 XXIII。 CMB の等方性と統計、e-Print:arXiv:1303.5083 [astro-ph.CO] (2013).

2. バーン、P. ヒュー・エベレット III 世の多くの世界:複数の宇宙、相互確実な破壊、核家族のメルトダウン (オックスフォード大学出版局、ニューヨーク、2010年)。

3. Mersini-Houghton, L. ランドスケープの非 SUSY セクターのラムダを予測できますか。 クラス.量.重力 22 、3481-3490 (2005)。

4. Kobakhidze、A.、Mersini-Houghton、L. 弦理論の風景からの宇宙の誕生。 Eur.Phys.J. C 49 、869-873 (2007).

5. Holman, R., Mersini-Houghton, L. なぜ宇宙はこのような低いエントロピー状態から始まったのか.
Phys.Rev. D 74 、123510 (2005).

6. Holman, R.、Mersini-Houghton, L.、Takahashi, T. 景観の宇宙論的アバター I:SUSY ブレーク スケールのブラケット。 Phys.Rev. D 77 、063510 (2006).

7. Holman、R.、Mersini-Houghton、L.、Takahashi、T.風景IIの宇宙論的アバター:CMBおよびLSS署名。 Phys.Rev. D 77 、063511 (2006).

8. Atrio-Barandela, F. プランク衛星によって測定されたバルク フローの統計的有意性について。 天文学と天体物理学 557 、A116 (2013).


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