宇宙論が誕生したのはわずか100年ほど前のことです。アルバート アインシュタインの過激なアイデアと、宇宙が膨張しているという観測的証拠から、ビッグバンとして知られる現代の宇宙論的パラダイムが出現しました。歴史上初めて、人類は自分たちの宇宙がどのように始まったかを理解し始めました.
何十年にもわたる観察と測定の結果、私たちの宇宙がその歴史の最初の瞬間を除いてどのように拡大し進化したかについて、ある程度の詳細がわかっています.
ビッグバン理論の予測は、信じられないほど、率直に言って予想外の範囲で、いくつもの観測によって確認されています。私たちの宇宙が過去 138 億年にわたって膨張してきた速度は、ほぼ 100 年前にアインシュタインの一般相対性理論から導き出された方程式と一致しており、銀河と銀河団の大規模な分布の測定値は、宇宙が観測したものと区別がつきません。理論は予測しました。
そして何よりも印象的なのは、宇宙マイクロ波背景放射で観測された温度変化の詳細なパターンは、宇宙学者にとって宝の山であり、宇宙に存在する物質の量から宇宙自体の大規模な幾何学まで、あらゆることを明らかにしてくれました。
ビッグバンの数十万年後から現在まで、信頼できる豊富な観測と測定があり、このデータの収集により、宇宙の歴史のこの部分を非常によく理解していると確信できます.
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他の大多数の宇宙論者と同様に、年表のこの部分が実質的に間違っていることが判明した場合、私はショックを受けるでしょう。この一連の出来事に対する現在の理解を裏付ける、さまざまで強力な証拠が多すぎます.
私たちがこれを非常に間違っていたことを知ることは、南北戦争が一度もなかった、またはクリストファー・コロンブスが実際に 1492 年に西インド諸島ではなく 12 世紀にウェールズに上陸したことを知るようなものです.場合によっては、証拠が強すぎて、完全に間違っていると合理的に考えることはできません.
しかし、宇宙の歴史をさかのぼるにつれて、私たちの自信は低下し始めます。ビッグバン後の最初の数秒から数十万年の間に、標準的なタイムラインで説明されていることをかなり実質的にサポートしています.
観測と測定は、私たちの宇宙の膨張率と物質とエネルギーの量が、計算で予測されたものと大きく異なるはずがないことを教えてくれます。とはいえ、この時期に重要かつ未知の宇宙イベントが発生した可能性は依然としてあります.
宇宙の最初の数十万年について私たちが持っている情報は重要ですが、すべてを網羅しているわけではありません.
宇宙の最初の数秒の謎
さらにさかのぼって、ビッグバン後の最初の数秒から数分の 1 秒にまでさかのぼると、私たちは不完全な情報しか持っていない状態から、信頼できる直接的な観察結果を本質的に持たない状態へと移行します。この時代は、エネルギー、距離、時間の侵入不可能な層の下に埋もれて、私たちの視界から隠されています.
宇宙史のこの時期に関する私たちの理解は、多くの点で、推論と外挿に基づく情報に基づいた推測にすぎません。
現代の宇宙論のすべての成功にもかかわらず、私たちの宇宙についてはまだ知られていないことがたくさんあります.これらの謎の中で最も有名なのは暗黒物質の謎です。
天文学者と宇宙学者は、私たちの宇宙に存在する物質の量を非常に高い精度で決定しており、それは原子の形で存在する以上のものです.何十年にもわたる測定と議論の後、私たちは現在、宇宙の物質のほとんどが既知の物質ではなく、光をそれほど放射、反射、または吸収しない何かで構成されていると確信しています.
過去数十年にわたり、物理学者は、この物質が何であるか、またビッグバンでどのように形成されたかを明らかにしようとする野心的な実験プログラムに取り組んできました。しかし、最初は楽観的だったにもかかわらず、私たちは暗黒物質とその性質について無知のままです。
実験は設計どおりに実行されましたが、何も見られませんでした。暗黒物質は、私たちがかつて想像していたよりもはるかにとらえどころのないものであることが判明したため、私たちはお気に入りの理論の多くを放棄し、暗黒物質が何であるか、および暗黒物質が宇宙でどのように形成されたかについて、根本的に新しいアイデアを検討することを余儀なくされました。ビッグバン後の最初の瞬間。
「普通の」物質の起源でさえ、それ自身の頑固な秘密を隠しています。陽子、中性子、電子、およびそれらが構成する原子は、よく理解されたプロセスによって簡単に作成できますが、そのようなプロセスでは、反物質として知られるよりエキゾチックな粒子も同量作成されます。
物質と反物質の粒子が互いに接触すると、両方とも消滅します。では、なぜ私たちの宇宙には物質が多く、反物質が非常に少ないのでしょうか?実際、なぜ問題があるのでしょうか?
物質と反物質がビッグバンの熱で等量生成された場合 (現在の物理学の理解から予想されるように)、そのほとんどすべてがずっと前に破壊され、宇宙は本質的に原子を失っていたでしょう。しかし、私たちの周りには原子がたくさんあります。
どういうわけか、反物質よりも多くの物質が、宇宙の歴史の最初の数分の 1 の間に作成されたに違いありません。これがいつ、どのようにして起こったのか、あるいはどのメカニズムが原因だったのかはわかりません。しかし、どういうわけか、初期宇宙の条件に関する何かが、原子の種、そして生命を含むすべての化学物質がビッグバンの熱を生き残ることを可能にしました.
さらに時間をさかのぼると、おそらく宇宙の謎の中で最も興味深いものにたどり着きます。私たちが観測する宇宙を理解するために、宇宙論者は、宇宙がその初期の瞬間に超高速膨張の短い期間を経たにちがいないと結論付けざるを得ませんでした.
読者 Q&A:暗黒エネルギーとは?
質問者:Fred Thomas、ロンドン1990 年代、宇宙の膨張率を測定した天文学者は、衝撃的な発見をしました。宇宙全体が目に見えないエネルギー源によって推進されているかのように、宇宙は実際に加速しています。これはいわゆる暗黒エネルギーであり、その起源は科学における最も深い謎の 1 つです。
さまざまな説明が提唱されていますが、おそらく最も単純なのは、いわゆる量子真空プロセスの現れであるというものです。素粒子の世界の法則によれば、空の空間を埋めるエネルギーの量については常に不確実性があります.
この真空ゆらぎエネルギーは研究室で検出されており、理論家はそれが暗黒物質の「反重力」効果を持つ可能性があることを示しています。しかし、これまでのところ、宇宙への影響の詳細な理論を作成するのに苦労しています.
これは、暗黒エネルギーが単にビッグバンから残された力場である可能性があるという提案につながっています.真髄と呼ばれることもあり、時間の経過とともに強化される可能性がありますが、やはり詳細はわかりません.
ビッグバンの後に膨張できなかった隠された余分な次元の空間から暗黒エネルギーが漏れ出しているという主張さえあります.
ただし、基礎となる理論に突破口ができるまでは、これは憶測にすぎません。
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このインフレーションの時代は 100 万分の 1 秒よりも少し長くしか続きませんでしたが、それは私たちの宇宙を完全に変化させました。多くの点で、インフレの終わりは、私たちが住む宇宙の真の始まりと考えることができます.
インフレーションが実際に起こったと考える多くの説得力のある理由を特定しているにもかかわらず、宇宙学者は、私たちの宇宙史の初期の重要な時代についてまだほとんど知りません.
そして最後に、1990 年代に、宇宙学者は野心的なプログラムに着手し、私たちの宇宙のより最近の膨張の歴史を測定し、私たちの世界の幾何学と最終的な運命を決定できるようにしました。初めて、私たちの宇宙が永遠に膨張し続けるのか、それとも最終的に反転して崩壊するのかを知ることができると考えられていました.
これらの測定は最終的には成功しましたが、ほとんどの科学者が予想していなかったことが明らかになりました。それは、私たちの宇宙が膨張しているだけでなく、加速的に膨張していることです。
この事実を説明するために、私たちの宇宙には、暗黒エネルギーとして知られる膨大な量のエネルギーが含まれており、宇宙全体を満たし、宇宙をばらばらにしているという結論を下さざるを得ませんでした。しかし、この現象を理解するための最善の努力は、ほぼ完全に手ぶらで行われました。暗黒エネルギーとは何か、なぜそれが私たちの宇宙に存在するのか、私たちは単に理解していません.
これらのパズルのそれぞれは、ビッグバンに続く最初の瞬間に深く関係しています。暗黒物質が何であれ、それはほぼ確実に、私たちの宇宙の最初の数分の一の間に形成されました.
同様に、私たちの世界に原子が存在するという単純な事実は、これらの最も初期の瞬間には、私たちがまだ何も知らない出来事や相互作用が含まれていたに違いないことを明らかにしています.宇宙のインフレーションもこれらの初期の時代に発生し、ダーク エネルギーの存在に関連している可能性があり、それ自体が多くの疑問を投げかけています。これらの方法やその他の方法で、私たちの宇宙の最大の謎は、その最初の瞬間にしっかりと結びついています.
調べ方
私たちの宇宙の最初の瞬間を研究するのは難しいことが証明されていますが、これは私たちが挑戦することを妨げていません.科学者たちは現在、宇宙マイクロ波背景放射として知られている光を新しい方法でより正確に測定する望遠鏡を構築中です。
これらの測定により、宇宙論者は、インフレーションがいつ発生したか、どのような形のエネルギーがインフレーションを引き起こした可能性があるかなど、インフレーションについてより多くのことを知ることができるようになることが期待されています。より遠い将来、宇宙ベースの重力波検出器は、初期の宇宙を見る新しい方法を提供し、インフレーションや、宇宙の最初の瞬間に発生した可能性のある相転移からの信号を明らかにする可能性があります。
いつの日か、ビッグバンで生成されたニュートリノとして知られる粒子の検出と研究が始まるかもしれません。難しいですね。でも、無理です。
私たちの最大の宇宙の謎が、私たちの宇宙の最初の瞬間に結びついていることは明らかです。私たちの宇宙は、どのようにしてこれほど多くの物質と反物質を含むようになったのでしょうか?暗黒物質はどのように形成されたのですか？私たちの宇宙は短期間の超高速膨張を経験したようですが、どのように、そしてなぜですか?そしてこれは、私たちの宇宙が再び加速して膨張しているという事実と関係があるのでしょうか?
今日、これらは未解決の問題です。しかし、今日のミステリーは明日の発見です。新しいデータ、観察結果、アイデアに支えられて、私たちはこれらの複雑な問題に光を当てる準備ができています.そしてその光があれば、私たちはこれまで以上に深く、より明確に過去を見ることができます – 時間の端に近づいています.
時の果て:宇宙の最初の数秒の謎を探る ダン・フーパー著は現在発売中です (£22、プリンストン大学出版局)。
