科学の歴史における最大の発見は、昨日のない日があったということです。宇宙は永遠に存在していません。生まれました。すべての物質、エネルギー、空間、さらには時間も、138 億 2000 万年前にビッグバンと呼ばれる巨大な火の玉として爆発しました。火の玉が膨張し、冷却された残骸から銀河が固まりました。星々の大きな島です。そのうちの 2 兆個のうち、天の川はそのうちの 1 つにすぎません。
どのように見ても、帽子からウサギが飛び出すように宇宙が出現するという考えはばかげています。このため、科学者はそれに引きずり込まれ、蹴ったり叫んだりしなければなりませんでした。彼らが最後に答えたかったのは、ビッグバンの前に何が起こったのかという厄介な質問でした。
ここ数十年で、宇宙は超高速膨張の超短時間バーストで始まったという考えが根付いてきました。この「インフレ」は非常に激しかったため、インフレが勢いを失ったときに引き継がれた、より落ち着いたビッグバン膨張のダイナマイトの棒と比較して、水爆の爆発に例えられてきました.
しかし、現在、著名なアメリカの天体物理学者は、インフレの正統性に疑問を呈し、ビッグバンが実際には宇宙の初期の収縮段階からの「大きな跳ね返り」であったという代替モデルの再検討を提唱しています.ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのエイブラハム・ローブ教授は、次のように述べています。 
不可解に大きなギャップ
どのシナリオでも説明しなければならない宇宙観測の 1 つは、宇宙が非常に均一である理由です。具体的には、ビッグバンの熱残光の温度がどこでもほぼ同じである理由と、特定の体積内の銀河の数も同じである理由です。
これはパズルです。なぜなら、宇宙の膨張が、映画が逆再生されるように、ビッグバンまで逆行していると想像すると、今日広く離れている宇宙の領域は、最初は互いに接触していなかったことが明らかになるからです。 .言い換えれば、宇宙の誕生以来、宇宙の限界速度（光速）で移動する影響がそれらの間を通過するのに十分な時間がありませんでした.では、温度が均一になるために、どのようにしてそのような領域間で熱が移動したのでしょうか?
標準的な説明は、その映画を逆に実行した場合、宇宙は私たちが想像するよりもはるかに小さいということです。それが小さかったとしたら、今日広く離れている宇宙の断片はより近くにあったでしょう.しかし、宇宙が以前より小さく始まった場合、138 億 2000 万年で現在のサイズに到達するには、より速く膨張したに違いありません。
このような超高速膨張の期間は、宇宙の存在の最初の一瞬に発生し、1979 年にロシアの物理学者アレクセイ スタロビンスキーと 1980 年にアメリカの物理学者アラン グース教授によって提案されました。このインフレーションは真空によって引き起こされました。今日私たちの周りで見られる真空ではなく、超高エネルギー版です。これは、2012 年にジュネーブ近くの大型ハドロン衝突型加速器で発見されたヒッグス場と同様に、「インフレーションの真空」にいわゆるスカラー場が含まれていたためで、どこでもゼロではないエネルギーを持っていました。
超高エネルギーのインフレ真空には、いくつかの注目すべき特性がありました。第一に、それは膨張する原因となった反発重力を持っていました - そしてそれが多ければ多いほど、反発力が大きくなり、膨張が速くなりました.第二に、インフレの真空がその体積を 2 倍にすると、エネルギーも 2 倍になります。体積が 3 倍になると、エネルギーも 3 倍になります。両手の間に紙幣の山があり、両手を引き離した結果、さらに多くの紙幣が作成されたと想像してください。当然のことながら、物理学者はインフレを「究極のフリーランチ」と呼んでいます。
しかし、エネルギーを含んでいるが物質を含んでいないインフレの真空は、「量子」のものでした (量子論は、原子とその構成要素の微視的な世界を最もよく説明しています)。そして、量子的なものは基本的に予測不可能です。そのため、インフレの真空中のランダムな場所で、ビットは通常の日常の真空に「崩壊」しました。
泡が形成される広大な海として想像してください。各バブルの内部では、インフレの真空の巨大なエネルギーがどこかに行かなければなりませんでした。それは物質を作り出し、猛烈な高温に加熱することになりました。つまり、ビッグバンを引き起こしました。私たちは、インフレの真空状態にあるこれらのビッグバン バブルの 1 つの中に住んでいます。
インフレはさまざまな場所でさまざまな速度で減衰し、インフレの真空に「バブル」をもたらします。つまり、マルチバースの可能性を生み出します © Science Photo Library この写真では、ビッグバンは一度限りのイベントではありません.ビッグバンは、インフレの真空を越えて花火のように消えていきます。そして、これはすべて、わずか1キログラムの質量エネルギーを持つ小さなインフレ真空によって始まり、何もないところから出現した可能性があります。これは、信じられないことに、量子理論の法則によって許可されています.インフレは、いったん始まると、食い尽くされるよりも早く新しい真空が作られるため、永遠に続きます。
しかし、ローブによると、インフレのシナリオには問題があります。 「40年経った今でも、ヒッグスのようにインフレを引き起こす『インフレトン』場が存在するという証拠はありません」と彼は言います。また、インフレの拡大を終了し、ビッグバンの拡大を開始して、インフレトン フィールドが減衰する方法は無数にあります。
物理学者は、スキー場のように、インフレトン フィールドが滑り落ちてエネルギーがゼロになる数学的「ポテンシャル」を想像しています。しかし、ゲレンデは場所によって形状が異なります。 「これは、ある場所では他の場所よりもインフレが長く続くことを意味し、その結果、時空の性質が大きく変化します」と Loeb は言います。 「したがって、インフレーションは、それぞれが異なる物理学を持つ無限のドメイン、つまり「マルチバース」の存在を予測します。」
問題は、私たちの宇宙が多元宇宙の典型的なメンバーの特性を持っていないことです. 「私たちの宇宙は、多元宇宙の典型的な領域に比べて、真空エネルギーが非常に希薄です」と Loeb は言います。
したがって、暗黒エネルギーなどのその特別な特性を、「人間原理」の混乱した論理で説明することを余儀なくされています。つまり、私たちは住んでいる領域に住んでいるということです。星や銀河を生み出し、物理学者はそれらを説明しました。 「これでは、インフレには何の説明力もありません」とローブは言います。 「これは、あらゆるデータに適合できる無限に柔軟なフレームワークです。私の考えでは、それは科学ではないということです。」
2017 年の Scientific American の記事で Loeb、Anna Ijjas、Prof Paul Steinhardt が行ったこの主張は、論争の嵐を巻き起こしました。 「インフレの父」と呼ばれるマサチューセッツ工科大学のアラン・ガス教授は次のように述べています。 5 人のノーベル賞受賞者を含む宇宙論の研究者であり、私は編集者に手紙を書き、インフレーションの検証可能性に関するこの記事の記述に断固として同意しませんでした。」
「それはかなり気のめいることです」とローブは言います。 「科学的アイデアが間違っている場合、それが間違っている理由を指摘するのに必要な人は 1 人だけです。科学的真実は権威によって決まるのではなく、自然そのものによって決まるのです。」
ローブは、「ひも理論」（すべての理論の候補）のようなインフレーションは、その基本的なアイデアの深刻な実験的テストがない中で長い間進化してきたと考えています. 「そのため、理論の正しさを証明するために他の理論と同じように厳しいテストに合格する必要はないと支持者が信じる文化が生まれました」と彼は言います。
ローブは必ずしもインフレが間違っているとは考えていません。しかし、彼は代替手段をもっと真剣に考えるべきだと考えています。 「私はそれに異論はありません」とグースは言います。 「しかし、インフレは科学的な方法では評価できないという虚偽の主張は避けるべきです。また、インフレに代わる現在の代替手段のいずれかが同等の地位を持っているという主張にも同意しません。」
強打から跳ね返りまで
1つの代替案は、宇宙が真空によるインフレーションのバーストから始まったのではなく、以前の収縮段階を経たというものです。したがって、ビッグバンはビッグバンではなくビッグバウンスでした。いくつかの可能性があります。そのうちの 1 つは、物理学者のスタインハルトとニール トゥロックによって提唱された「周期的な宇宙」です。この宇宙では、おそらく無限の回数の跳ね返りが繰り返され、したがって始まりがありません。
しかし重要なことは、ビッグバン前の長い段階は、宇宙の特性が均等化するのに十分な時間を提供するということです。これは、熱湯を加えた後に冷水浴が一定の温度になるまでに時間がかかるのと同じです。
重要なことは、インフレシナリオとバウンスシナリオを区別できる観察結果を見つけることです。そして、ローブと彼のハーバード大学の同僚である Xingang Chen 博士と Zhong-Zhi Xianyu は、それらを発見したと言います。これには、宇宙背景放射であるビッグバンの熱の残光が含まれます。
素粒子物理学の標準モデルは、私たちの宇宙を構成する基本的な「フィールド」を説明しています。電子は「電子場」の波紋、光子は「電磁場」の波紋などです。ただし、標準モデルは、まだ知られていないより深い理論の近似値にすぎません。
しかし、ローブは、新しい大規模な亜原子粒子を含む新しいフィールドが含まれると述べています。これらは初期の宇宙で振動し、宇宙背景放射の温度変化に明らかな規則性を刻み込みます。 「この「周期性」は潜在的に観測可能です」と Loeb は言います。 「そして重要なことは、インフレによる膨張を経験した宇宙と収縮を経験した宇宙では異なるということです。」
最大の温度変動は、拡大シナリオでは最初に設定されますが、縮小シナリオでは最後に設定されます。また、温度変動のサイズまたは振幅は時間とともに大きくなるため、どのシナリオが最初であったかを判断できます。
「科学的手法を使用してインフレを評価することはできないと宣言してから2年後、ローブがインフレのテストの開発に取り組んでいることを嬉しく思います」とGuthは言います. 「私の意見では、Chen、Loeb、Xianyu による提案には、非常に興味深い物理学が含まれています。」
新しいテストは、インフレの唯一の可能なテストではありません。 BICEP2 と呼ばれる南極での実験では、現在、初期宇宙の激しい混乱で作成された時空のさざ波 (重力波) の宇宙背景放射の痕跡を探しています。
「痕跡が見つかれば、それはインフレを証明するでしょう」と Loeb は言います。 「しかし、痕跡が見つからない場合、痕跡が検出できないインフレモデルを見つけることが可能になります。これが、無限に柔軟で科学的に反証不可能な理論について私が言いたいことです。」
ローブは、宇宙の跳ね返りの詳細な物理は、インフレーションの詳細な物理と同じくらい未知であることを認めています。しかし彼は、基礎科学に関する私たちの知識の状態のために、これは避けられないと言います. 20 世紀の物理学の 2 つの大きな成果は、量子論 (非常に小さな世界を説明する) とアインシュタインの重力理論 (宇宙の非常に大きな領域を説明する) です。
ビッグバンでは、非常に大きな宇宙が非常に小さかったため、何が起こったかを予測するには、量子論とアインシュタインの重力理論を統合する必要があります。このような統一は、これまでのところとらえどころのないものでした。 「厳然たる真実」と Loeb は言います。
- この記事は BBC Science Focus で最初に公開されました 2019 年 4 月 – 登録はこちら
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