人間は、宇宙の起源について常に 2 つの基本的な理論を考えてきました。 「そのうちの 1 つは、（ユダヤ系キリスト教徒やブラジルのカラジャス宇宙論のように）創造の瞬間に宇宙が出現する」と、宇宙学者のマリオ ノヴェッロとサンティアゴ ペレス ベルグリアファは 2008 年に述べています。 （バビロニア人とエジプト人の宇宙論のように）無限の一連のサイクルからなる永遠です。」現代の宇宙論における区分は、「宇宙論的神話の区分と何らかの形で類似している」と Novello と Perez-Bergliaffa は書いています。
ここ数十年、それはあまり競争のようには見えませんでした.教科書やテレビ番組の標準的なものであるビッグバン理論は、今日の宇宙論者の間で強力な支持を得ています。ライバルである永遠の宇宙の絵は、1世紀前には優勢だったが、約140億年前には宇宙が膨張していて、小さくて単純だったことを天文学者が観察したため、その地位を失った.この理論の最も一般的な現代版では、ビッグバンは「宇宙インフレーション」と呼ばれるエピソードで始まりました。これは指数関数的膨張の爆発であり、その間に時空の無限小の斑点が滑らかで平らな巨視的な宇宙に膨らみ、それがさらに膨張しました。
単一の初期成分 (「インフレトン フィールド」) を使用して、インフレーション モデルは今日の宇宙の多くの大まかな特徴を再現します。しかし、起源の話として、インフレは欠けています。それは、その前に何があったのか、そしてその最初のインフレを含んだ斑点がどこから来たのかについて疑問を投げかけます.多くの理論家は思いとどまらず、インフレトン場はより完全な時間の起源の理論に自然に適合するに違いないと考えていますが、まだ不明です.
しかし、ここ数年で、慎重に代替案を再検討する宇宙論者の数が増えています。彼らは、ビッグバンは代わりにビッグバウンスだったかもしれないと言います.一部の宇宙論者は、宇宙が肺のように周期的に膨張および収縮し、特定のサイズに収縮するたびに跳ね返るという図式を支持しますが、他の宇宙学者は、宇宙は 1 回だけ跳ね返ったと提案します。過去、そしてそれがその後永遠に拡大すること。どちらのモデルでも、時間は過去と未来に終わりなく続いています。
現代科学によって、この古くからの論争に決着がつく希望があります。今後数年間で、望遠鏡は宇宙インフレーションの決定的な証拠を見つけることができます。原始的な成長のスパートの間に、もしそれが起こったなら、時空構造の量子波紋は引き伸ばされ、後に宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる太古の光の偏光の微妙な渦として刻印されたでしょう.現在および将来の望遠鏡実験では、これらの渦を探しています。今後数十年のうちにそれらが見られない場合、これはインフレを完全に否定するものではありませんが（渦巻きがかすかすぎて判断できない可能性があります）、バウンス宇宙論の主張を強化します。渦巻き模様。
すでにいくつかのグループが同時に進行しています。最も重要なのは、物理学者が昨年、バウンスが発生する可能性のある 2 つの新しい方法を考え出したことです。 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics に掲載される予定の論文で説明されているモデルの 1 つ 、コロンビア大学のアンナ・イジャスから来て、彼女の元アドバイザーであるプリンストン大学の教授であり、著名なバウンス宇宙論者であるポール・スタインハルトとの以前の研究を拡張しました.さらに驚くべきことに、他の新しいバウンス ソリューションは、Physical Review D での公開が承認されました。 は、Peter Graham、David Kaplan、Surjeet Rajendran によって提案されました。これらは、主に素粒子物理学の問題に焦点を当て、以前はバウンス宇宙論コミュニティとは関係のなかった有名な共同研究者のトリオです。これは、バングかバウンスかという問題で非常に二極化している分野で注目に値する発展です。
この問題は 2001 年に再び重要性を増し、スタインハルトと他の 3 人の宇宙論者は、宇宙の歴史におけるゆっくりとした収縮の期間が、今日目撃されているように、バウンスの後でさえ、その例外的な滑らかさと平坦さを説明できると主張しました。期間は必要ありません。
宇宙の非の打ちどころのない平易さ、空のどの領域も他のどの領域よりもはるかに多くの物質を含んでいないという事実、および望遠鏡が見ることができる限り空間が息を呑むほど平らであるという事実は謎です.現在の均一性と一致するように、宇宙が直径 1 cm だったとき、100,000 分の 1 以内でどこでも同じ密度を持っていたに違いないと専門家は推測しています。しかし、それがさらに小さなサイズから成長するにつれて、物質とエネルギーはすぐに一緒になって時空をゆがめたはずです.なぜ私たちの望遠鏡は重力によって破壊された宇宙を見ないのですか?
オンタリオ州ウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の所長であり、 Steinhardt、Justin Khoury、および Burt Ovrut による宇宙収縮に関する 2001 年の論文。インフレのシナリオでは、センチメートルサイズの領域は、はるかに小さな領域の指数関数的拡大の結果として生じます。最初の斑点は、幅が 1 兆分の 1 兆分の 1 センチメートルにすぎません。その斑点に滑らかで平坦なインフレトン フィールドが注入されている限り、つまりそのエネルギー濃度が時間や空間を超えて変動しない限り、斑点は膨張して私たちのような巨大で滑らかな宇宙になったでしょう。メリーランド大学の理論物理学者であるラマン・サンドラム氏は、インフレについて彼が高く評価しているのは、「ある種の耐障害性が組み込まれていること」だと述べています。この爆発的な成長段階で、特定の場所で時空を曲げるエネルギーの蓄積があった場合、濃度は急速に膨張していたでしょう。 「データに表示されているものに対して小さな変更を加えると、データが示唆する行動に戻ることがわかります」と Sundrum 氏は述べています。
しかし、その極小の斑点が正確にどこから来たのか、そもそもなぜそれ自体が滑らかで平らになったのかは誰にもわかりません。理論家たちは、重力の基礎となる量子論の候補である弦理論にインフレトン場を埋め込む可能性のある多くの方法を発見しました。これまでのところ、これらの考えに賛成または反対する証拠はありません。
宇宙のインフレも物議を醸す結果をもたらします。 1980 年代にアラン・グース、アンドレイ・リンデ、アレクセイ・スタロビンスキー、そして (とりわけ) スタインハルトによって開拓されたこの理論は、ほぼ自動的に、私たちの宇宙は無限の泡立つ多元宇宙の海にあるランダムな泡であるという仮説につながります。計算によると、インフレーションが始まると、それは永遠に続き、ローカル ポケットでのみ停止し、その後、私たちのようなバブル ユニバースが開花します。永遠に膨張する多元宇宙の可能性は、多元宇宙で起こりうるすべてのことが無限に何度も起こるため、私たちの特定のバブルがそれ自体の言葉で完全に理解できない可能性があることを示唆しています.この主題は、専門家の間で直感レベルの意見の相違を呼び起こします。多くの人が、私たちの宇宙は多くの宇宙の 1 つにすぎないという考えに同意しました。スタインハルトは多元宇宙を「ホグウォッシュ」と呼んでいます。
この感情は、バウンスに関する彼や他の研究者の方向転換を部分的に動機づけました。 「跳ねるモデルにはインフレの期間がありません」とTurokは言いました。代わりに、ビッグバウンスの前に収縮期間を追加して、均一な宇宙を説明します. 「あなたが座っている部屋のガスが完全に均一であるように、空気分子がぶつかり合って平衡化しているためです」と彼は言いました。自分自身を滑らかにします。」
最初の収縮宇宙モデルは複雑で欠陥がありましたが、多くの研究者は、膨張する宇宙の多くの特徴をゆっくりとした収縮で説明できるという基本的な考えを確信するようになりました。 「その後、ボトルネックは文字通りボトルネックになりました。バウンスそのものです」と Steinhardt 氏は言います。 Ijjas 氏は次のように述べています。人々は、収縮段階を行うことができれば非常に興味深いことに同意するでしょうが、拡張段階に到達できない場合はそうではありません。」
バウンスは簡単ではありません。 1960 年代に、英国の物理学者ロジャー ペンローズとスティーブン ホーキングは一連のいわゆる「特異点定理」を証明しました。これは、非常に一般的な条件下では、物質とエネルギーの収縮が不可避的に特異点と呼ばれる計り知れない密度の点に押しつぶされることを示しています。これらの定理は、時空、物質、エネルギーがすべて内側に押し寄せる収縮宇宙が、アルバート・アインシュタインの重力と時空に関する古典理論が破綻する点である特異点まで崩壊することをどのように回避できるかを想像することを困難にします。 down と未知の量子重力理論のルール。収縮する宇宙が、ブラック ホールの特異な中心に収縮して死ぬ大質量星と同じ運命をたどるべきではないのはなぜですか?
新しく提案されたバウンス モデルは両方とも、特異点定理の抜け穴を利用しています。バウンス 宇宙論者は、宇宙に負のエネルギー (または負圧の他の源) を持つ物質が含まれている場合、バウンスが可能である可能性があることを長い間認識してきました。彼らは 2000 年代初頭からこの抜け穴を利用しようとしてきましたが、負のエネルギー成分を追加すると、宇宙のモデルが不安定になることが常にわかりました。宇宙のゼロエネルギー真空。 2016 年、ロシアの宇宙学者ヴァレリー・ルバコフとその同僚は、これらのいわゆる「ゴースト」不安定性を引き起こしたという理由で、バウンス メカニズムの巨大なクラスを除外するように見える「ノーゴー」定理さえ証明しました。
その後、イジャスはノーゴー定理を回避するバウンスメカニズムを発見しました。彼女のモデルの重要な要素は、「スカラー フィールド」と呼ばれる単純なエンティティです。このアイデアによれば、宇宙が収縮し、エネルギーが高度に集中するにつれて、このスカラー フィールドが始動したと考えられます。スカラー場は、宇宙に負の圧力を加え、収縮を逆転させ、時空を引き離すような方法で重力場に編み込まれましたが、すべてを不安定にすることはありませんでした。ドイツのマックス・プランク重力物理学研究所の理論宇宙学者であるジーン・リュック・レーナーズは、イジャスの論文は「あらゆる不安定性を取り除き、この特殊なタイプの物質で本当に安定したモデルを作るための本質的に最良の試みです」と述べた。バウンスの提案にも取り組んできました。
2 つの新しいバウンス モデルで特に興味深いのは、それらが「非特異性」であることです。つまり、収縮する宇宙は、ある点に収縮する前に、バウンスして再び膨張を開始します。したがって、これらの跳ね返りは、重力の量子的性質についての推測を必要とせずに、古典的な重力の法則によって完全に説明できます。
スタンフォード大学、ジョンズ・ホプキンス大学、カリフォルニア大学バークレー校の Graham、Kaplan、Rajendran は、それぞれ 2017 年 9 月に科学プレプリント サイト arxiv.org で、特異でないバウンスのアイデアを報告しました。宇宙の歴史における以前の収縮段階を使用して、宇宙定数の値を説明できるかどうか - 時空構造に注入された暗黒エネルギーの量を定義する神秘的なほど小さな数、宇宙の加速膨張を駆動するエネルギー
最も困難な部分であるバウンスを解決する際に、トリオは特異点定理のほとんど忘れられていた 2 番目の抜け穴を利用しました。彼らは、1949 年に論理学者のクルト ゲーデルによって提案された特徴的に奇妙な宇宙のモデルからインスピレーションを得ました。ゲーデルは一般相対性理論を使用して、回転する宇宙の理論を構築しました。地球の軌道が太陽に落ちるのを防ぐのとほぼ同じように、その回転によって宇宙が重力崩壊するのを防ぎます。ゲーデルは、彼の回転する宇宙が「閉ざされた時間のような曲線」、本質的に時間のループを可能にし、あらゆる種類のゲーデルの謎を提起したという事実を特に気に入っていました。彼は死ぬ日まで、宇宙が実際に彼のモデルのように回転しているという証拠を熱心に待ち望んでいました.研究者たちは、そうではないことを知っています。そうでなければ、宇宙は整列と優先方向を示します。しかし、グレアムとその会社は、ひも理論によって仮定された 6 つの余分な次元など、空間に存在する可能性のある小さくて丸まった空間次元について疑問に思いました。収縮する宇宙はそれらの方向に回転するでしょうか?
これらの丸まった余分な次元の 1 つだけがあると想像してください。空間のあらゆる点にある小さな円です。グラハムが言ったように、「空間の各ポイントには、進むことができる追加の方向、つまり第 4 の空間方向がありますが、ごくわずかな距離しか進むことができず、最初の場所に戻ることができます。」少なくとも 3 つの非常にコンパクトな次元がある場合、宇宙が収縮するにつれて、物質とエネルギーが内部で回転し始め、次元自体が物質とエネルギーと共に回転します。余分な次元の渦は、突然跳ね返る可能性があります。 「余分な次元で回転しているため、特異点に砕け散っていたであろうすべてのものは、逃します—一種の重力パチンコのようです」とグラハムは言いました. 「すべてのものは 1 点に到達するはずだったのに、それを逃してまた飛び出してしまったのです。」
この論文は、バウンス宇宙論者の通常のサークルを超えて注目を集めています.カリフォルニア工科大学の理論物理学者であるショーン・キャロルは懐疑的ですが、このアイデアを「非常に賢い」と呼んでいます。彼は、従来のインフレの話に代わるものを開発することが重要であると述べました.比較によってどれだけ良いインフレが現れるかを確認するためだけに.キャロル氏は「インフレが正しい可能性は十分にあると思うが、競合他社がもっとあればいいのに」と語った。メリーランド州の物理学者サンドラムも同じように感じました。 「たとえ成功する可能性が 5% しかないとしても、持てる力のすべてを注ぎ込んで取り組まなければならないほど重要だと考える質問がいくつかあります」と彼は言いました。 「それが私がこの論文について感じていることです。」
グラハム、カプラン、ラジェンドランがバウンスとその可能性のある実験的な特徴を探る中、イジャスとスタインハルトの次のステップは、プリンストン大学のフランス プレトリウスと協力してコンピューター シミュレーションを開発することです。 (彼らのコラボレーションは、Quanta Magazine にも資金を提供している Simons Foundation によってサポートされています。 .) 両方のバウンス メカニズムは、宇宙の進化の歴史全体を説明する、より完全で安定した宇宙モデルに統合する必要もあります。
これらの非特異的な跳ね返りの解決策を超えて、他の研究者は、宇宙が特異点までずっと収縮したときにどのような跳ね返りが発生するかについて推測しています — 重力の未知の量子法則によって調整された跳ね返りは、空間と時間の通常の理解に取って代わります非常に高いエネルギーで。今後の研究で、Turok と共同研究者は、宇宙が中心の特異な跳ね返りから離れて過去と未来に対称的に拡大するモデルを提案することを計画しています。 Turok は、この 2 つの葉からなる宇宙の存在は、常に真空に出入りする電子-陽電子ペアの自発的な生成と同等であると主張しています。 「リチャード・ファインマンは、陽電子を時間を逆行する電子として見ることができると指摘しました」と彼は言いました。 「それらは 2 つの粒子ですが、実際には同じです。ある瞬間、それらは融合して消滅します。」彼は次のように付け加えた。「このアイデアは非常に深いものであり、宇宙とその反宇宙が物質の存在によって何もないところから引き出されたビッグバンに似ていることが判明する可能性が最も高いでしょう。 .」
この宇宙/反宇宙バウンス モデルが宇宙のすべての観測に対応できるかどうかはまだわかりませんが、Turok はそのシンプルさが気に入っています。彼の見解では、ほとんどの宇宙モデルは複雑すぎる。宇宙は「非常に秩序があり、対称的でシンプルに見えます」と彼は言いました。 「これは理論家にとって非常にエキサイティングなことです。なぜなら、宇宙の最も逆説的な特徴を説明するかもしれない、発見が難しいとはいえ、単純な理論が発見されるのを待っている可能性があることを示しているからです。」
