多くの同僚と同様に、ロンドン大学ユニバーシティ カレッジの宇宙学者である Hiranya Peiris は、私たちの宇宙が広大な多元宇宙にある多くの宇宙の 1 つにすぎないという考えを、かつて大部分は否定しました。それは科学的に興味深いものであると彼女は考えましたが、根本的に検証することもできませんでした.彼女は、銀河がどのように進化するかなど、より具体的な問題に研究を集中することを好みました。
その後、ある夏、アスペン物理学センターで、ペイリスはペリメーター研究所のマット・ジョンソンとチャットしていることに気付きました。彼は彼らが協力することを提案しました.
最初、ペイリスは懐疑的でした。 「私は観察者として、どんなに興味深く洗練された理論であっても、検証可能な結果が得られない場合、その理論は深刻に欠けていると考えています」と彼女は言いました。しかしジョンソンは、このコンセプトをテストする方法があるかもしれないと彼女を説得した。私たちが住んでいる宇宙がずっと前に別の宇宙と衝突した場合、衝突は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB)、つまりビッグバンからのかすかな残光に痕跡を残したでしょう。物理学者がそのような痕跡を検出できれば、多元宇宙への窓が提供されるでしょう。
コロンビア大学の物理学者であるエリック ワインバーグは、この多元宇宙を沸騰した大釜に例え、泡が個々の宇宙 (時空の孤立したポケット) を表していると説明しています。鍋が沸騰するにつれて、泡が膨張し、時々衝突します。宇宙の最初の瞬間にも同様のプロセスが発生した可能性があります。
最初の出会いから何年もの間、ペイリスとジョンソンは、最も初期の瞬間に別の宇宙と衝突すると、宇宙全体に衝撃波に似たものがどのように送られたかを研究してきました。彼らは、CMB をマッピングするプランク宇宙望遠鏡からのデータで、そのような衝突の証拠を見つけることができるかもしれないと考えています。
このプロジェクトはうまくいかないかもしれない、と Peiris は認めています。私たちが多元宇宙に住んでいるだけでなく、私たちの宇宙が原始宇宙の歴史の中で別の宇宙と衝突したことも必要です.しかし、もし物理学者が成功すれば、彼らは私たちの宇宙を超えた、ありそうもない宇宙の最初の証拠を得るでしょう。
泡が衝突するとき
多元宇宙理論はかつて、サイエンス フィクションやクラックポットの領域に追いやられていました。ペリメーター理論物理学研究所とヨーク大学で共同研究を行っているジョンソンは、「あなたは狂った土地に行ってしまったようです」と語った。しかし、科学者たちは多元宇宙が何であるかについて多くのバージョンを考え出しました。
Peiris と彼女の同僚が興味を持っている多元宇宙は、1950 年代に最初に提案され、すべての量子イベントが別の宇宙を生み出すと主張する、物議を醸している「多世界」仮説ではありません。また、この多元宇宙の概念は、パラレルワールド、つまり私たちの時空からピンチオフして別の領域になる新しい宇宙の人気のあるサイエンスフィクションの比喩にも関連していません.むしろ、このバージョンは、宇宙の最初の瞬間について広く受け入れられている理論であるインフレーションの結果として生じます。
インフレーションは、私たちの宇宙がビッグバンの直後に急速な膨張の突然のバーストを経験したことを保持しています.
しかし、インフレは一度始まると完全に止まることはありません。理論によると、宇宙が膨張し始めると、いくつかの場所で終わり、今日私たちの周りに見られる宇宙のような領域が作成されます.しかし、それ以外の場所では、インフレは未来に向かって永遠に続くだけです.
この機能により、宇宙学者は永遠のインフレーションと呼ばれるシナリオを熟考するようになりました。この写真では、宇宙の個々の領域が膨張を止めて、私たちが住んでいるような「バブル ユニバース」になっています。しかし、より大きなスケールでは、指数関数的な拡大が永遠に続き、新しいバブル ユニバースが継続的に作成されています。観察者は、光速よりも速く移動しない限り、あるバブルから次のバブルに移動することはできないため、各バブルは、同じ時空の一部であるにもかかわらず、それ自体が宇宙と見なされます。そして、それぞれの泡には、独自の物理法則があるかもしれません。 「永遠のインフレーションを買うと、多元宇宙が予測されます」と Peiris は言いました。
2012 年、ペイリスとジョンソンは、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理学者であるアンソニー アギーレとマックス ウェインライトと協力して、2 つの泡だけでシミュレートされた多元宇宙を構築しました。彼らは、気泡が衝突した後に何が起こったのかを研究して、観察者が何を見るかを決定しました。チームは、2 つのバブル宇宙の衝突が、独特の温度プロファイルを持つ CMB 上の円盤として私たちに見えると結論付けました。
ヒューマン エラー (私たちは見たいパターンを見る傾向があります) を防ぐために、宇宙ベースの天文台であるウィルキンソン マイクロ波異方性プローブ (WMAP) からのデータでこれらのディスクを自動的に検索する一連のアルゴリズムを考案しました。プログラムは、気泡衝突の痕跡と一致する温度変動を持つ 4 つの潜在的な領域を特定しました。プランク衛星からのデータが今年後半に利用可能になると、研究者は以前の分析を改善できるはずです。
しかし、多元宇宙の説得力のある痕跡を検出することは困難です。遭遇がどのように見えるかを知るには、バブルの衝突のダイナミクスを完全に理解する必要があります。このような相互作用の複雑さを考えると、コンピューターでモデル化するのは非常に困難です.
新しい問題に取り組むとき、物理学者は通常、すでに理解している優れたモデルを見つけて、「摂動」と呼ばれる微調整を加えて適応させます。たとえば、宇宙での衛星の軌道をモデル化するために、物理学者は 17 世紀にアイザック ニュートンによって概説された古典的な運動の法則を使用し、その運動に影響を与える可能性のある他の要因の影響を計算することによって小さな改良を加えることができます。太陽風の圧力。単純なシステムの場合、摂動のないモデルとの差異はわずかです。しかし、竜巻のような複雑なシステムの気流パターンを計算しようとすると、それらの近似は破綻します。摂動は、小さくて予測可能な改良ではなく、突然の非常に大きな変化を元のシステムにもたらします。
初期宇宙のインフレーション期における気泡衝突のモデル化は、竜巻のモデル化に似ています。まさにその性質上、インフレーションは時空を指数関数的に引き延ばします。まさに、ダイナミクスの計算を非常に困難にするような値の大きなジャンプです。
「グリッドから始めると想像してみてください。しかし、瞬時にグリッドが巨大なサイズに拡大しました」と Peiris 氏は言います。彼女は共同研究者と共に、アダプティブ メッシュ リファインメントなどの手法を使用しました。これは、複雑さに対処するためのインフレーションのシミュレーションで、そのようなグリッド内の最も関連性の高い詳細をますます細かいスケールで選別する反復プロセスです。 King's College London の物理学者である Eugene Lim は、異常なタイプの進行波が問題をさらに単純化するのに役立つ可能性があることを発見しました。
翻訳の波
1834 年 8 月、ジョン・スコット・ラッセル (John Scott Russell) という名前のスコットランド人技術者が、運河ボートの効率を改善することを目的として、ユニオン運河に沿って実験を行っていた。馬の群れに引かれていた一隻のボートが突然止まり、ラッセルは水の中で孤独な波が形を失うことなく一定の速度で前進し続けていることに気付きました。この挙動は、平らになるか、ピークに達してすぐに倒れる典型的な波とは異なりました。興味をそそられたラッセルは、最終的に水路の水域で消散する前に、馬に乗って波を数マイル追跡しました。これは、ソリトンの最初の観測記録でした。
ラッセルは不屈の波に非常に興味をそそられ、庭に 30 フィートの波のタンクを作り、この現象をさらに研究し、彼が「翻訳の波」と呼んだものの重要な特徴に注目しました。このような波は、通常よりも長い距離にわたってサイズ、形状、および速度を維持できます。速さは波の大きさに依存し、幅は水深に依存しました。そして、大きな孤立波が小さな波を追い越した場合、大きくて速い波はそのまま通過します.
ラッセルの観察は、彼の発見が当時の水波物理学について知られていることと矛盾しているように見えたため、仲間によってほとんど却下されました。このような波がソリトンと呼ばれるようになったのは 1960 年代半ばになってからで、物理学者は、光ファイバー、生体タンパク質、DNA などのさまざまな分野の問題をモデル化する際に、その有用性に気付きました。ソリトンは、場の量子論の特定の構成でも現れます。量子場を突き刺すと、通常は外側に消散する振動が発生しますが、物事を適切な方法で構成すると、その振動はその形状を維持します — ラッセルの翻訳の波のように.
ソリトンは非常に安定しているため、多元宇宙でのバブル衝突のダイナミクスの単純化されたおもちゃのモデルとして機能し、CMB にどのような種類のシグネチャが現れるかについて物理学者により良い予測を提供できると Lim は考えています。彼の予感が正しければ、私たちのバブル宇宙の膨張する壁はソリトンによく似ています.
ただし、孤立した定在波をモデル化することは比較的簡単な問題ですが、ソリトンが衝突して相互作用すると、ダイナミクスは非常に複雑になり、計算が難しくなり、物理学者は代わりにコンピューターシミュレーションに頼らざるを得なくなります。これまで、研究者は特定のクラスのソリトンを正確な数学的解で使用し、そのモデルを目的に合わせて微調整してきました。ただし、このアプローチは、調査中のターゲット システムがすでにおもちゃのモデルに非常に似ている場合にのみ機能します。そうしないと、変更が大きすぎて計算できません。
そのハードルを回避するために、リムはソリトン衝突の風変わりな機能に基づいた巧妙なトリックを考案しました。 2 つのオブジェクトが衝突することを想像すると、動きが速ければ速いほど、衝撃が大きくなり、ダイナミクスが複雑になると自然に想定されます。たとえば、2 台の車が高速で衝突すると、破片が散乱し、熱、騒音、その他の影響が生じます。同じことがソリトンの衝突にも当てはまります — 少なくとも最初は。 Lim 氏によると、2 つのソリトンが非常にゆっくりと衝突すると、相互作用はほとんど発生しません。速度が上がるにつれて、ソリトンはより強く相互作用します。
しかし、リムは、速度が増加し続けると、パターンが最終的に逆転することを発見しました。ソリトン相互作用が減少し始めます。彼らが光速で移動する頃には、相互作用はまったくありません。 「彼らはちょうどお互いを通り過ぎて飛んでいます」とリムは言いました。 「2 つのソリトンを衝突させる速度が速ければ速いほど、ソリトンは単純になります。」相互作用がないため、ソリトンの衝突のダイナミクスのモデル化や、ソリトンを「エッジ」としてバブル ユニバースの衝突をモデル化することが容易になります。これは、システムがほぼ類似しているためです。
Johnson 氏によると、Lim は広く適用できる非常に単純なルールを発見しました。多元宇宙の相互作用は、高速の衝突中は弱くなり、それらの衝突のダイナミクスをシミュレートしやすくなります。多元宇宙の新しいモデルを簡単に作成し、ソリトンをツールとして使用して、新しいモデルの予想されるシグネチャを宇宙マイクロ波データにマッピングし、研究者が見ているものと一致しない理論を除外することができます.このプロセスは、物理学者が多元宇宙の最も実行可能なモデルを特定するのに役立ちます。これは、まだ推測ではありますが、最新の観測データとインフレーション理論の両方と一致します。
ひも理論の多元宇宙の事例
より多くの物理学者が多元宇宙の概念を真剣に受け止めている理由の 1 つは、そのような特定のモデルが超弦理論の重要な課題を解決するのに役立つ可能性があるためです。ひも理論の目標の 1 つは、量子力学と一般相対性理論 (非常に異なるサイズ スケールを支配する物理学の 2 つの別個の「ルール ブック」) を単一の単純な解決策に統合することでした。
しかし、約 10 年前、「超弦理論の夢が爆発した」とジョンソンは言いましたが、それは良い意味ではありませんでした。研究者たちは、ひも理論が独自の解決策を提供しないことに気付き始めました。代わりに、「膨大な数の世界の理論を提供します」とワインバーグは言いました。一般的な推定値 (ワインバーグ氏が保守的だと考えているもの) は、10 の可能性です。この世界のパノピーは、ひも理論があらゆる可能な結果を予測できることを意味します。
多元宇宙は、弦理論によって予測されたすべての異なる世界を組み込む可能性のある手段を提供します。各バージョンは、独自のバブル ユニバースで実現できます。 「すべては、宇宙のどの部分に住んでいるかによって異なります」とリムは言いました。
Peiris は、この議論には批判があることを認めています。多元宇宙の概念を真の科学理論ではなくトートロジーとして却下するために通常使用される推論について、ペイリス氏は次のように述べています。 「しかし、それについて考えるのは間違った方法だと思います。」ペイリスは、進化論はある点でトートロジーにも似ていると主張し、「生物は生き残ったから存在する」と述べていますが、それには途方もない説明力があります。これは単純なモデルであり、今日見られる種の膨大な多様性を生み出すために、最初のインプットをほとんど必要としません.
永遠のインフレーションに結び付けられた多元宇宙モデルは、同じような説明力を持つ可能性があります。この場合、バブルユニバースは種分化のように機能します。たまたま正しい物理法則を持っている宇宙は、最終的には「成功」するでしょう。私たちの宇宙がはるかに大きな多元宇宙の 1 つだとすれば、私たちの存在はあまりありそうにないように思えます。
不確かなシグナル
しかし、最終的には、Peiris の当初の反論は依然として有効です。実験的証拠を収集する何らかの手段がなければ、多元宇宙仮説は定義上、検証不可能になるでしょう。そのため、それは立派な物理学の周辺に潜んでいます。そのため、CMB でバブル衝突の痕跡を検出することに強い関心が寄せられています。
もちろん、「これらの気泡の衝突が痕跡を残すことができるからといって、それらが痕跡を残すわけではありません」と Peiris は強調しました。 「自然が私たちに優しくしてくれる必要があります。」インフレーション中に空間がどれだけ急速に拡大したかを考えると、観察可能なシグナルはまれな発見である可能性があります。衝突はまれではなかったかもしれませんが、その後のインフレーションは、初期宇宙の他のすべての以前の「構造」を希釈するのと同じように、衝突の影響を希釈する傾向があり、CMB に信号が表示される可能性はわずかです。空」とペイリスは言いました。
「私自身の感覚では、それを機能させるには数値をかなり細かく調整する必要があるということです」と Weinberg 氏は述べています。バブルユニバースの形成速度が重要です。気泡がゆっくりと形成されていた場合、衝突が起こるずっと前に空間が膨張して気泡が離れてしまうため、衝突は起こりませんでした。あるいは、泡の形成が速すぎると、空間が十分に膨張して分離したポケットを形成する前に、それらが融合してしまいます。ゴルディロックス率は、衝突が可能になるために気泡が形成されなければならない「ちょうどいい」率です。
研究者は、偽陽性を見つけることについても心配しています。そのような衝突が起こり、証拠が CMB に刻印されたとしても、明確なパターンを見つけることは必ずしも多元宇宙の証拠とはなりません。 「効果を得ることができ、これらの[バブル]衝突の計算された予測と一致すると言えます」とワインバーグは言いました。 「しかし、それは他の多くのものと一致している可能性があります。」たとえば、歪んだ CMB は、宇宙ひもと呼ばれる理論上の実体の証拠である可能性があります。これらは、湖が凍ったときに氷にできる亀裂のようなものですが、ここでは氷が時空の構造であることを除けば.磁気モノポールは、テクスチャと呼ばれる時空の結び目やねじれと同様に、CMB に影響を与える可能性のある別の仮説上の欠陥です。
ワインバーグは、これらの異なる可能性の違いを区別することさえ可能かどうか確信が持てません。特に、永遠のインフレーションの多くのモデルが存在するためです。理論の正確な詳細を知らずに、多元宇宙を明確に特定しようとすることは、家がどのように動くかを知らずに、家の屋根に衝突した 2 つの隕石の組成を衝撃音だけで区別しようとするようなものです。どのような材料で作られていますか.
バブル衝突の兆候が確認されたとしても、Peiris 氏は別のバブル宇宙をこれ以上研究する方法を見つけていません。しかし、多元宇宙の概念が検証可能な物理学のテーブルに座るに値するということは、驚くべき検証となるでしょう.
そして、その信号が代わりに宇宙ストリングまたは磁気単極子の証拠であることが判明した場合でも、それは宇宙論の最前線で刺激的な新しい物理学を構成する.その点で、「宇宙マイクロ波背景放射は現代の宇宙論の土台です」とペイリスは言いました。 「それは与え続ける贈り物です。」
