現代物理学を信じるなら、私たちはここにいるべきではありません。より高いレベルで宇宙を引き裂く空の空間に注入されるわずかな量のエネルギーは、理論が予測するよりも1兆兆倍も小さい.また、ヒッグス粒子の質量は非常に小さいため、銀河や人間などの大きな構造を形成することができますが、予想を約 100000 兆倍も下回っています。これらの定数のいずれかを少しでもダイヤルアップすると、宇宙は住めなくなります.
私たちの信じられないほどの幸運を説明するために、アラン・ガスやスティーブン・ホーキングのような主要な宇宙学者は、私たちの宇宙を永遠に泡立つ海の無数の泡の1つとして想像しています.この無限の「マルチバース」には、生命を維持するのに適切な特性を持つ、私たちのような異常値を含む、ありとあらゆる可能な値に調整された定数を持つ宇宙が含まれます。このシナリオでは、私たちの幸運は避けられません。奇妙な、生命に優しいバブルだけが観察できると期待できます。
多くの物理学者は多元宇宙仮説を嫌い、それを無限の割合の警官と見なしています。しかし、私たちの宇宙を避けられない自己完結型の構造として描く試みが失敗するにつれて、多元宇宙陣営は成長しています.
問題は、仮説を検証する方法です。マルチバースのアイデアの支持者は、生命を支える数少ない宇宙の中で、私たちの宇宙が統計的に典型的であることを示さなければなりません。真空エネルギーの正確な投与量、軽量のヒッグス粒子の正確な質量、およびその他の異常は、居住可能な宇宙のサブセット内で高い可能性を持っている必要があります.この宇宙の特性が居住可能な部分集合であっても依然として非典型的に見える場合、多元宇宙の説明は失敗します.
しかし、無限大は統計分析を妨害します。無限に膨らむ多元宇宙では、バブルが無限に何度も形成されるため、「典型的」をどのように測定しますか?
マサチューセッツ工科大学の物理学教授であるグスは、この「測定問題」を提起するために、自然のフリークに頼っています。 「単一の宇宙では、頭が 2 つある牛は、頭が 1 つある牛よりもまれです」と彼は言いました。しかし、無限に分岐する多元宇宙には、「無限の数の片頭の牛と無限の数の双頭の牛がいます。比率はどうなりますか？」
何年もの間、無限の量の比率を計算することができないため、多元宇宙仮説がこの宇宙の特性についてテスト可能な予測を行うことができませんでした。仮説が本格的な物理学の理論に成熟するためには、双頭の牛の質問に答えが必要です.
永遠のインフレ
宇宙の滑らかさと平坦さを説明しようとしている若手研究者として、Guth は 1980 年にビッグバンの開始時に一瞬の指数関数的成長が起こった可能性があると提案しました。これにより、膨張する風船の表面のしわのように、空間的な変動が解決されます。インフレーション仮説はまだテスト中ですが、利用可能なすべての天体物理学データと結びついており、物理学者に広く受け入れられています。
その後数年間で、現在スタンフォード大学のアンドレイ・リンデ、グース、および他の宇宙論者は、インフレーションが無限の数の宇宙を生み出すことはほとんど避けられないと推論しました. 「インフレが始まると、それが完全に止まることはありません」とGuth氏は説明しました。それが停止する領域では、それを安定した状態に落ち着かせる一種の崩壊を通じて、空間と時間は私たちのような宇宙に穏やかに膨らみます.それ以外の場所では、時空は指数関数的に膨張し続け、永遠に泡立ちます。
切断された各時空のバブルは、さまざまな量のエネルギーの崩壊に関連付けられたさまざまな初期条件の影響下で成長します。膨張してから収縮する気泡もあれば、娘宇宙の無限の流れを生み出す気泡もあります。科学者たちは、永遠に膨張する多元宇宙はどこでもエネルギー保存、光速、熱力学、一般相対性理論、量子力学に従うと推測していました。しかし、これらの法則によって調整された定数の値は、バブルごとにランダムに変化する可能性が高い.
プリンストン大学の理論物理学者であり、永久インフレーション理論の初期の貢献者の 1 人であるポール スタインハートは、多元宇宙を、彼が進歩を助けた推論の「致命的な欠陥」と見なし、今日でも断固として多元宇宙に反対し続けています。 「私たちの宇宙は単純で自然な構造をしています」と彼は9月に語った. 「マルチバースのアイデアはバロック的で、不自然で、検証できず、最終的には科学と社会にとって危険です。」
スタインハルトと他の批評家は、多元宇宙仮説が科学を自然の特性を一意に説明することから遠ざけると信じています。物質、空間、時間に関する深い疑問が過去 1 世紀にわたって、ますます強力な理論を通じてエレガントに答えられてきたとき、宇宙の残りの説明されていない特性を「ランダム」とみなし、あきらめるように感じます。その一方で、初期の天文学者が太陽系の無計画な惑星軌道の秩序を無駄に検索したときのように、ランダム性が科学的疑問に対する答えになることもあります。インフレーション宇宙論が受け入れられるにつれて、より多くの物理学者がランダムな宇宙の多元宇宙が存在する可能性があることを認めています.ちょうど偶然と混沌によって配置された星系でいっぱいの宇宙があるように.
マサチューセッツ大学アマースト校の物理学者であるジョン・ドノヒューは、「1986 年に永遠のインフレーションについて聞いたとき、私は吐き気がしました。 「しかし、よく考えてみると、それは理にかなっています。」
多元宇宙のための 1 つ
多元宇宙仮説は、1987 年にノーベル賞受賞者のスティーブン ワインバーグがそれを使用して、空の空間の真空に注入される微小量のエネルギーを予測するために使用したとき、宇宙定数として知られる数であり、ギリシャ文字 Λ (ラムダ) で表されます。真空エネルギーは重力的に反発します。つまり、時空が引き伸ばされます。その結果、Λ の正の値を持つ宇宙は、物質のない空虚として未来に向かって膨張します。負の Λ を持つ宇宙は、最終的に「大きな危機」で収縮します。
物理学者は 1987 年に宇宙の Λ の値をまだ測定していませんでしたが、宇宙膨張の比較的穏やかな速度は、その値がゼロに近いことを示していました。これは、Λ が巨大であることを示唆する量子力学的計算に直面しており、真空エネルギーの密度が非常に大きく、原子をバラバラにすることを示唆している.どういうわけか、私たちの宇宙は大幅に希釈されているように見えました.
ワインバーグは、フィジカル レビュー レター (PRL) に書いたように、「宇宙定数の小ささの微視的な説明を見つけられないことが続いている」ことに対応して、人為的選択と呼ばれる概念に目を向けました。彼は、宇宙の観測者がそこから引き出される生命体には、銀河の存在が必要であると仮定しました。したがって、観察できる Λ の値は、宇宙が十分にゆっくりと膨張して、物質が銀河に凝集するのに十分な値だけです。彼の PRL 論文で、ワインバーグは、銀河のある宇宙における Λ の最大可能値を報告しました。それを観測するには観測者が存在しなければならないことを考えると、観測される可能性が最も高い真空エネルギーの密度のマルチバース生成予測でした.
10 年後、天文学者は、宇宙の膨張が Λ を 10 (「プランク エネルギー密度」の単位) に固定する速度で加速していることを発見しました。正確にゼロという値は、量子力学の法則に未知の対称性があることを暗示している可能性があります。しかし、宇宙定数のこの途方もなく小さな値はランダムに見えました。そして、それはワインバーグの予測に驚くほど近づきました。
ニューヨーク大学のマルチバース理論家であるマシュー・クレバン氏は、「これは大成功であり、非常に影響力がありました。この予測は、結局のところ、多元宇宙が説明力を持つ可能性があることを示しているように見えました.
Weinberg の成功に続いて、Donoghue と同僚は同じ人間学的アプローチを使用して、ヒッグス粒子の質量の可能な値の範囲を計算しました。ヒッグス粒子は他の素粒子に質量を分配し、これらの相互作用がフィードバック効果でその質量を上下させます。このフィードバックは、観測された値よりもはるかに大きなヒッグスの質量を生み出すと予想され、その質量は、すべての個々の粒子の効果の間の偶発的な相殺によって減少したように見えます。 Donoghue のグループは、人類の選択を考えると、この偶発的に小さいヒッグス粒子は予想されるべきものであると主張した。ヒッグス粒子がちょうど 5 倍重ければ、炭素のような複雑で生命を生み出す要素は発生し得ない。したがって、より重いヒッグス粒子を含む宇宙は決して観測できませんでした。
最近まで、ヒッグス質量の小ささの有力な説明は超対称性と呼ばれる理論でしたが、理論の最も単純なバージョンは、ジュネーブ近くの大型ハドロン衝突型加速器での大規模なテストに失敗しました。新しい代替案が提案されていますが、ほんの数年前に多元宇宙を非科学的だと考えていた素粒子物理学者の多くは、今ではしぶしぶながらその考えに心を開いています。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の物理学教授で、1980 年代に超対称性に貢献した Nathan Seiberg は、次のように述べています。 「しかし、事実に直面しなければなりません。」
しかし、予測的多元宇宙理論への機運が高まる一方で、研究者たちは、ワインバーグらによる予測があまりにも単純すぎることに気付きました。 Weinberg は、銀河の形成に適合する最大の Λ を推定しましたが、それは天文学者が Λ が 1,000 倍大きい宇宙で形成される可能性のある小さな「矮小銀河」を発見する前のことでした。これらのより一般的な宇宙には観測者も含まれている可能性があり、私たちの宇宙は観測可能な宇宙の中で非典型的に見えます.一方、矮小銀河にはおそらく実物大の銀河よりも観測者が少ないため、矮小銀河だけの宇宙は観測される可能性が低くなります.
研究者たちは、観察できる気泡と観察できない気泡を区別するだけでは十分ではないことに気付きました。宇宙の予想される特性を正確に予測するために、彼らは、含まれる観測者の数に応じて、特定の泡を観測する可能性を重み付けする必要がありました。測定問題を入力してください。
マルチバースの測定
Guth と他の科学者は、さまざまな種類の宇宙を観察する可能性を測定するための尺度を探しました。これにより、彼らはこの宇宙の基本定数の組み合わせについて予測することができ、そのすべてが観測される可能性がかなり高いはずです。科学者の初期の試みには、永久インフレーションの数学的モデルを構築し、特定の時間間隔で発生した各タイプのバブルの数に基づいて、観測可能なバブルの統計的分布を計算することが含まれていました。しかし、時間が尺度として機能するため、宇宙の最終集計は、科学者が最初にどのように時間を定義したかによって異なります。
カリフォルニア大学バークレー校の理論物理学者である Raphael Bousso は、次のように述べています。
マサチューセッツ州メドフォードにあるタフツ大学の宇宙論研究所所長であるアレックス・ビレンキンは、過去 20 年間にいくつかのマルチバース対策を提案し、破棄してきました。 2 年前、彼とスペインのバルセロナ大学の Jaume Garriga は、観測者の数などの多元宇宙のカウント イベントを急上昇する不滅の「ウォッチャー」の形で測定を提案しました。次に、イベントの頻度が確率に変換され、測定問題が解決されます。しかし、この提案は不可能を前提としています。ウォッチャーは、ビデオ ゲームのアバターが死んでから生き返るように、砕ける泡を奇跡的に生き残ります。
2011 年、Guth と Vitaly Vanchurin (現在はミネソタ大学ダルース校) は、有限の「サンプル空間」、つまり無限の多元宇宙内でランダムに選択された時空スライスを想像しました。サンプル空間が拡大し、無限のサイズに近づくが到達することはないため、陽子形成、星形成、銀河間戦争などのイベントに遭遇するバブル宇宙を切り抜けます。イベントは、サンプリングが終了するまで仮想データバンクに記録されます。さまざまなイベントの相対頻度は確率に変換されるため、予測力が提供されます。 「起こりうることはすべて起こりますが、同じ確率ではありません」と Guth は言いました。
それでも、不滅のウォッチャーと架空のデータバンクの奇妙さを超えて、これらのアプローチはどちらも、どのイベントが生命の代理として機能するか、したがって宇宙の観測を数えて確率に変換するかについて、任意の選択を必要とします。生命には陽子が必要なようです。宇宙戦争はそうではありませんが、観測者は星を必要としますか、それともこれは生命の概念が狭すぎるのでしょうか?どちらの尺度でも、私たちが私たちのような宇宙に住むことを支持してオッズが積み重なるように、選択を行うことができます.憶測の程度は疑いを生む.
コーザル ダイヤモンド
Bousso が最初に測度の問題に遭遇したのは、1990 年代、ブラック ホール物理学の第一人者である Stephen Hawking の下で働いていた大学院生でした。ブラック ホールは、全知の測定者など存在しないことを証明しています。なぜなら、ブラック ホールの「事象の地平線」の内側にいる誰かが、それを超えると光が逃げることができず、外部の誰かからのさまざまな情報やイベントにアクセスできるからです。 Bousso と他のブラック ホールの専門家は、そのような規則は「より一般的なものでなければならない」と考えるようになり、不滅の監視者の方針に沿った測定問題の解決策を排除したと彼は述べた。 「物理学は普遍的であるため、原則として観察者が測定できるものを定式化する必要があります。」
この洞察により、ブッソは方程式から無限を完全に取り除く多元宇宙の尺度を開発することになりました。時空のすべてを見る代わりに、彼は「因果関係のダイアモンド」と呼ばれる多元宇宙の有限のパッチに焦点を合わせます。これは、時間の始まりから終わりまでを旅する 1 人の観測者がアクセスできる最大の範囲を表します。原因となるダイヤモンドの有限の境界は、暗闇の中で互いに向けられた一対の懐中電灯からの分散光線のように、2 つの円錐状の光の交差によって形成されます。 1 つのコーンは、ビッグバンの後に物質が生成された瞬間 (考えられる最も早い観測者の誕生) から外側を指し、もう 1 つのコーンは、原因となるダイアモンドが空っぽの時代を超越した空虚になり、オブザーバーは、原因と結果を結びつける情報にアクセスできなくなります。
ブッソは、ブラック ホールの外で起こっていることについての情報が、内部に閉じ込められた貧しい魂によってアクセスできないのと同じように、無限に変化し、際限なく再帰的なイベントを知ることができない因果ダイヤモンドの外で起こっていることに興味がありません。有限のダイヤモンドが「誰もが測定できるすべてであり、それがすべてである」ことを受け入れるなら、Bousso 氏は次のように述べています。
2006 年、Bousso は、彼の因果ダイヤモンド測定が、宇宙定数の期待値を公平に予測する方法に役立つことに気付きました。 Λ の値が小さい因果ダイヤモンドは、より多くのエントロピー (無秩序またはエネルギーの劣化に関連する量) を生成します。ブッソは、エントロピーが複雑さの代理として機能し、したがってオブザーバーの存在の代理として機能する可能性があると仮定しました。オブザーバーをカウントする他の方法とは異なり、エントロピーは信頼できる熱力学方程式を使用して計算できます。このアプローチでは、「宇宙を比較することは、水のプールを部屋いっぱいの空気と比較することと同じくらい風変わりではありません」と Bousso 氏は述べています。
Bousso と彼の共同研究者である Roni Harnik、Graham Kribs、Gilad Perez は、天体物理学のデータを使用して、主に宇宙塵から散乱する光に由来する、宇宙におけるエントロピー生成の全体的な割合を計算しました。この計算により、Λの期待値の統計的範囲が予測されました。既知の値 10 は、中央値のすぐ左側にあります。 「正直なところ、それが来るとは思っていませんでした」とブッソは言いました。 「予測が非常にしっかりしているので、本当に素晴らしいです。」
予測する
ブッソと彼の共同研究者の因果ダイヤモンド測定法は、現在、多くの成功を収めています。 「なぜ今なのか」という宇宙論の謎を解き明かします。この問題は、物質と真空エネルギーの影響が同程度の時代に私たちがたまたま生きている理由を問うもので、宇宙の膨張が減速 (物質支配の時代を意味する) から加速 (真空エネルギー) に最近切り替わった。 -支配的な時代)。ブッソの理論によれば、私たちがこの時点にいるのは当然のことです。宇宙に真空エネルギーと物質が同量含まれている場合、最も多くのエントロピーが生成され、したがって最も多くの観測者が存在します。
2010 年、Harnik と Bousso は彼らの考えを使用して、宇宙の平面性と宇宙塵から放出される赤外線の量を説明しました。昨年、Bousso と彼のバークレーの同僚であるローレンス ホールは、私たちのように陽子と中性子でできている観測者は、ここの場合のように、通常の物質と暗黒物質の量が同程度の宇宙に住むだろうと報告しました。
「今のところ、因果パッチは非常に良さそうです」と Bousso 氏は言います。 「多くのことが予想外にうまくいきますが、これらの成功を再現したり、同等の成功を特徴とする他の手段を知りません。」
ただし、因果関係とダイヤモンドの尺度は、いくつかの点で不十分です。宇宙定数が負の値を持つ宇宙の確率を測定するものではありません。そして、その予測は、未来を指し示す光円錐の始まりにおける、初期宇宙に関する仮定に敏感に依存しています。しかし、この分野の研究者はその有望性を認識しています。測定問題の根底にある無限を回避することにより、原因となるダイヤモンドは「私たちが歯を沈めることができる有限のオアシスです」と、カリフォルニア大学デービス校の理論物理学者であり、インフレの初期の建築家の1人であるアンドレアス・アルブレヒトは述べました。 .
Bousso と同様にブラック ホールの専門家としてキャリアをスタートさせた Kleban は、エントロピーを生成するダイヤモンドなどの因果パッチのアイデアは、「測定問題に対する最終的な解決策の要素になるはずです」と述べています。彼、Guth、Vilenkin、および他の多くの物理学者は、それを強力で説得力のあるアプローチと考えていますが、多元宇宙の独自の測定に引き続き取り組んでいます.この問題が解決されると考える人はほとんどいません。
すべての尺度には、単に多元宇宙が存在するというだけでなく、多くの仮定が含まれます。たとえば、Λ やヒッグス質量などの定数の予想される範囲の予測では、気泡はより大きな定数を持つ傾向があると常に推測されます。明らかに、これは進行中の作業です。
「多元宇宙は未解決の問題か、壁から外れていると見なされています」とガスは言いました。 「しかし最終的に、多元宇宙が科学の標準的な部分になるとすれば、それは、自然界で見られる微調整の最も妥当な説明であることに基づいているでしょう。」
おそらく、これらのマルチバース理論家は、シシフィアンの課題を選択したのでしょう。おそらく、彼らは双頭の牛の問題を解決することは決してないでしょう.一部の研究者は、マルチバースをテストするために別のルートを取っています。方程式の無限の可能性を探る代わりに、彼らは有限の空をスキャンして、究極のヘイル メリー パス — 古代のバブル衝突からのかすかな震え — を求めています。
このシリーズのパート 2 では、衝突するバブル ユニバースを検出する取り組みを探っています。
訂正:この記事は 2014 年 11 月 4 日に改訂され、基本定数の複数パラメーター計算における最近の進歩を十分に説明していない文が削除されました。 2015 年 1 月 23 日にさらに改訂され、Andrei Linde が永遠のインフレーション理論の先駆者であると認められました。
