過去 10 年間、私たちはブラック ホールの写真を撮り、原子の中心部を覗き込み、宇宙の誕生を振り返ってきました。それでも、宇宙とそれを支配する法則に対する私たちの理解には、あくびのギャップがあります。これらは、今後 10 年以上にわたって物理学者や天文学者を悩ませる謎です。
なぜ何もないのではなく何かがあるのですか?
宇宙論の標準的なイメージによれば、最初は「インフレの真空」でした。それは超高エネルギー密度と反発重力を持っていたので、膨張しました。それが多ければ多いほど、反発力が大きくなり、膨張が速くなります。
すべての「量子」と同様に、この真空は予測不可能でした。ランダムな場所で、それは通常の日常の真空に崩壊しました。インフレの真空のとてつもないエネルギーは、どこかに行かなければなりませんでした。
そして、それは物質を作り出し、それを猛烈な高温に加熱し、ビッグバンを生み出しました。私たちの宇宙は、拡大を続けるインフレの真空状態にあるビッグバン バブルの 1 つにすぎません。
驚くべきことに、このプロセス全体が、砂糖の袋と同等の質量を持つ膨張真空の破片から始まった可能性があります。そして、便利なことに、物理法則、特に量子物理学は、そのような物質が無から存在することを可能にします。もちろん、次の明らかな疑問は、物理法則はどこから来たのかということです。
1918年、ドイツの数学者エミー・ネーターがこれに光を当てました。彼女は、偉大な保存法則は空間と時間の深い対称性の単なる結果であり、私たちの視点が変わっても変わらないことを発見しました.
このような対称性の際立った特徴は、それらが虚空の対称性でもあり、完全に空の宇宙の対称性でもあるということです。だから、無から有への移行はそれほど大したことではなかったのかもしれません。おそらくそれは、銀河に満ちた宇宙の無から「構造化された」無への変化だったのかもしれません.
しかし、なぜ変化が起こったのでしょうか。アメリカの物理学者ビクター・ステンガーは、氷の方が安定しているため、温度が下がると水が構造化された水、つまり氷に変わるという事実を指摘しました。彼は、構造化されたものはより安定しているため、宇宙が無から「構造化された無」になったのではないかと推測した?
すべての銀河の中心部に巨大なブラック ホールがあるのはなぜですか?
私たちの宇宙には約 2 兆個の銀河があり、私たちの知る限り、ほとんどすべての銀河の中心に超大質量ブラック ホールがあります。それらのサイズは、太陽の質量のほぼ 500 億倍の重さの怪物から、天の川銀河の中心部にある射手座 A* として知られる 430 万の太陽質量のチドラー (1 太陽質量 =太陽の質量) までさまざまです。 .しかし、彼らがどのようにしてそこにたどり着いたかは、宇宙論の大きな未解決の謎の 1 つです。
恒星ブラック ホールは、恒星の核が内破する超新星爆発で形成されることが知られています。しかし、超大質量ブラック ホールがどのように形成されるかは誰にもわかりません。
宇宙の歴史の大部分において、銀河の中心は多くの物質が小さな体積に閉じ込められた場所でした。互いに合体を繰り返す恒星ブラック ホールから、密集した星団の中で超大質量ブラック ホールが形成される可能性があります。
これの暫定的な証拠は、重力波の検出によって明らかにされた 2 つのブラック ホール間の合体から得られます。 1 つの穴は超新星の遺物としては大きすぎたため、以前の合体が原因である可能性があります。
超大質量ブラック ホールを形成するもう 1 つの方法は、高密度のガス雲を直接収縮させることです。雲の崩壊とブラック ホールの合体の組み合わせから形成される可能性があります。
また、ビッグバンで超大質量ブラックホールが形成された可能性もあります。これは、宇宙のニワトリが先か卵が先かという問題に対する斬新な答えを提供することになります。銀河が最初に形成されてからそのような怪物が生まれるのではなく、超大質量ブラック ホールが最初に形成され、星の銀河が形成される種を提供します。
その質量にもかかわらず、最大の超大質量ブラック ホールでさえ、太陽系よりもほとんど大きくありません。しかし、それらは反対方向に向けられた超高速の物質ジェットによって、数百万光年にわたってその力を投影しています。そのようなジェットが高速な場所、つまり銀河の内部領域では、ガスを追い払い、星の形成を消し去ります。それらが減速した場所 (外側の領域) では、ガスを圧縮して星形成を引き起こします。
実際、最大の穴からの強力なジェットは、形成される星の質量を制御しているようであり、太陽のような小さくて温度の低い星に向かう傾向があります。ですから、射手座 A* に太陽を与えてくれたことに感謝できるかもしれません。それがなければ、おそらくこのページを読んでいないでしょう。
超大質量ブラック ホールの詳細:
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暗黒物質とは?
暗黒物質は光を出さないか、光が少なすぎて私たちが検出できません。その存在を知っているのは、目に見える星や銀河に対するその重力の影響を見ているからです。たとえば、天の川銀河は、ビッグバン以降の 138 億 2000 万年の間に星を作るのに十分な量の物質を引きずり込むことができなかったでしょう。余分な重力によって物事が加速された目に見えない物質がたくさん存在しなければなりませんでした。
欧州宇宙機関のプランク衛星は、暗黒物質が宇宙の質量エネルギーの 26.8% を占めているのに対し、通常の「原子」物質の 4.5% を占めることを発見しました。したがって、目に見える星や銀河よりも約 6 倍重要です。
長い間、暗黒物質粒子の有力な候補は弱相互作用質量粒子 (WIMP) でした。しかし、これらの粒子は条件を満たしていますが、スイスのジュネーブ近くの大型ハドロン衝突型加速器には現れませんでした。支持を得ている候補は、仮想の亜原子粒子である超軽量の「アクシオン」です。ランクの部外者は、ビッグバンから取り残された原初のブラック ホールのままです。
不可解なことに、何十年にもわたる調査にもかかわらず、地球での実験で暗黒物質の証拠は発見されていません。修正が必要なのは私たちの物質理論ではなく、私たちの重力理論であると考えられます。または、暗黒物質は単一の粒子でできた流体ではなく、私たちの周りにある原子物質のように複雑です.たぶん、宇宙は暗い星と暗い惑星と暗い生命でいっぱいです!
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時間は存在しますか?
すべてが一度に起こるのを止めるのは時間です」と、アメリカの物理学者ジョン・ウィーラーは言いました。しかし、時間は滑りやすい概念です。私たちが知っていると思っていることのほとんどは間違っています。
たとえば、時間の流れを想像します。しかし、何かが流れるためには、川が川岸に対して流れるように、他の何かに対して流れなければなりません。時間は別のもの、つまり第二の時間に対して流れていますか?その考えは無意味に思えます。おそらく、時間の流れは、私たちの感覚を通して絶え間なく流れ込む情報を整理するために私たちの脳によって作成された幻想です.
私たちはまた、過去、現在、未来を共有しているという強い感覚を持っています。しかし、共通の現在という考えは、現実の基本的な記述である相対性理論のどこにも現れません。他人の時間が正確にどのように分割されるかは、その人があなたに対してどれだけ速く動いているか、またはその人が経験している重力の強さに依存します.
これらの効果は、光速に近い相対速度や超強力な重力下でのみ顕著に現れるため、日常の世界では目立たないのです。それにもかかわらず、ある人の時間間隔は別の人の時間間隔と同じではなく、ある人の空間の間隔は別の人の時間間隔と同じではないという考えにつながります.
実際には、もっと悪いです。空間と時間は、切っても切れない関係にあります。私たちの宇宙では、ビッグバンから宇宙の死までのすべての出来事が、既存の 4 次元時空間マップに配置されています。実際に時間を「移動」するものはありません。
友人のミケーレ・ベッソの死後、アインシュタインは次のように書いています。それは何の意味もありません。物理学を信じている私たちのような人々は、過去、現在、未来の区別は頑固に永続的な幻想に過ぎないことを知っています。」
宇宙の膨張が映画のように逆行していると想像すると、最初の瞬間に空間と時間が引き裂かれます。したがって、物理学者は、ビッグバンで時間がもっと根本的なものから生じたと考えています。まだ、それが何であるかは誰にもわかりません.
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暗黒エネルギーとは?
それは目に見えず、空間全体を満たし、その反発する重力が宇宙の膨張を加速させています。 「暗黒エネルギー」は 1998 年に天体物理学者によって発見されました。彼らはタイプ 1A 超新星を研究していました。これは、一定量のエネルギーを解き放ち、宇宙の 100 W 電球のような標準的な光度で燃焼すると考えられている星の爆発です。
問題は、最も遠い超新星が予想よりも暗いことでした。宇宙の膨張が加速し、彼らを遠ざけました。
当時、大規模な宇宙で作用していると考えられていた唯一の力は重力であり、銀河間の目に見えないウェブのように作用し、宇宙の膨張にブレーキをかけていました.
宇宙の膨張が宇宙の質量エネルギーの驚くべき 3 分の 2 を占める物質の存在を仮定することを余儀なくされた、ゴツゴツした宇宙論者を加速させたという発見。この「ダーク エネルギー」は重力を圧倒し、約 50 億年前に宇宙を支配しました。
1 つの可能性は、暗黒エネルギーが宇宙定数であり、空間の本質的な反発であるということです。このような反発は、真空中の量子エネルギーのゆらぎから生じる可能性があります。
しかし、超微視的世界の最高の理論である量子論が真空に適用されると、理論家は、10 の後に 120 のゼロが続く暗黒エネルギーのエネルギー密度よりも大きいエネルギー密度を予測します。科学の歴史。
おそらく、最終的に量子論をアインシュタインの重力理論と組み合わせることができれば、この矛盾は解消されるでしょう。その間、宇宙実験が役立つかもしれません。 2022 年に、欧州宇宙機関は Euclid を打ち上げます。これは暗黒エネルギーが宇宙時間とともにどのように変化するかを測定し、科学における最大のパズルを解決するための重要な手がかりを提供することを期待しています.
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エイリアンの兆候が見られないのはなぜですか?
1950 年、最初の原子炉を建設したエンリコ フェルミは、ニュー メキシコ州のロス アラモス爆弾研究所の食堂で昼食をとっていたとき、突然こう言いました。テーブルの周りの誰もが彼の意味を正確に理解していました.
数十年後、フェルミの疑問はアメリカの物理学者マイケル・ハートとフランク・ティプラーによって個別に調査されました。ハートは、天の川全体に広がるエイリアンを考え、ティプラーは、惑星系に到着すると、リソースを利用して自分自身の 2 つのコピーを作成し、航海を続ける自己複製マシンを考えました。
どちらも、適度な移動速度であっても、銀河系のすべての星は、天の川の年齢の何分の一かで訪れると結論付けました。フェルミが気づいたように、エイリアンは地球にいるはずです。彼らはそうではないようです。これが「フェルミのパラドックス」になりました。
何百もの説明が提案されています。それらには、私たちは銀河系で誕生した最初の知性体であり、完全に孤独であり、私たちの発達に悪影響を与える可能性のある高度な文明への立ち入りを禁じられた保育園の世界であるという考えが含まれています.
より平凡な可能性は、パラドックスがないということです。遠い過去の訪問の兆候は、風、雨、および地質学的プロセスによって消去されるからです。しかし最近、ニューヨーク州ロチェスター大学のジョナサン・キャロル・ネレンバック博士が率いるチームは、私たちの太陽は地球外膨張の波によって単純に迂回された可能性があると提案しました.
半世紀以上にわたって望遠鏡を使って捜索しているにもかかわらず、銀河系に地球外生命体の兆候が見られないのはなぜかという疑問が残ります。しかし、ジェイソン ライト博士が率いるペンシルバニア州立大学のチームは、謎はないと述べています。私たちが検索したのは銀河のほんの一部であり、
地球の海の水と比較して
温水浴槽の水に相当します.
ダグラス・アダムスが『銀河ヒッチハイク・ガイド』で非常に鋭敏に観察したように、「宇宙は大きい。それがどれほど広大で、巨大で、気が遠くなるような大きさであるか、信じられないでしょう。」
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なぜ自然は基本的な構成要素を 3 倍にしたのですか?
レゴが、各ブロックが標準のブロックの数百倍も大きいバージョンのブロックを発売したとします。そして、レンガが何千倍も大きい別のバージョンを発売したとしましょう。会社がおかしくなったと考えるのは許されるでしょう。しかし、これはまさに、その基本的な構成要素であるクォークとレプトンで自然が行ったことです。
通常の物質は、2 種類のクォークと 2 種類のレプトンだけでできています。しかし、第 2 世代のクォークとレプトンも存在し、すべての粒子は最初の粒子と同じで数百倍重く、第 3 世代では同じですが数千倍重いです。
より重い世代は、作成に多くのエネルギーを必要とするため、今日ではめったに見られません。しかし、彼らはビッグバンで重要な役割を果たした可能性があります。しかし、世代ごとに粒子の質量が大きく異なるのはなぜでしょうか?アメリカの物理学者でノーベル賞受賞者であるスティーブン・ワインバーグ博士は、興味深い推測を行っています.
物質の基本的な構成要素は、空間全体を満たす目に見えない流体であるヒッグス場と相互作用することによって質量を獲得します。それらは、このエネルギー場に局所化されたハンモックであるヒッグス粒子と相互作用していると考えることができます。
Weinberg は、ヒッグス場と最も強く相互作用する粒子は最終的にヒッグス粒子の質量に近い質量になり、これらは第 1 世代ではなく第 3 世代の粒子であると指摘しています。
おそらく、ワインバーグは、それらがヒッグス粒子と直接相互作用する唯一の粒子であると推測しています。おそらく、第 2 世代は、ヒッグス粒子と直接相互作用する未発見の粒子と相互作用することによって質量を取得します。そしておそらく、第一世代は、第一世代と相互作用する未発見の第二の粒子と相互作用することによって、彼らのものを手に入れます.
それは、メッセージが子供たちの列に伝えられ、中継されるものが最初に言われたことからさらに遠ざかっていく、あの遊び場のゲームのようなものです.おそらく世代が下がるごとに、粒子はヒッグス場を「感じる」ことからさらに遠ざかり、その質量生成効果はますます希薄化していきます.
ワインバーグは、そのようなメカニズムがどのように機能するかを詳しく知りません.しかし、他の物理学者は、彼が自然の 3 つのビルディング ブロックのパズルを解く方法のヒントを提供したのではないかと感じています。
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 359 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
