6 月 25 日、Timm Wrase はウィーンで目を覚まし、新しく投稿された物理学論文のオンライン リポジトリをうろたえながらスクロールしました。 1 つの称号で彼は完全に意識を取り戻しました。
この論文は、ハーバード大学の著名なひもの理論家である Cumrun Vafa と共同研究者によるもので、ひも理論によると、どの種類の宇宙の存在が許可され、どの種類の宇宙が禁止されているかを示す簡単な公式を推測しました。重力と量子物理学を織り合わせた「万物の理論」の有力候補である弦理論は、すべての物質と力を小さなエネルギーの束の振動として定義します。この理論では、可能な宇宙の広大で多様な「風景」である、約 10 の異なる解決策が可能です。 Wrase や Vafa のようなひも理論家は、私たちの特定の宇宙をこの可能性の風景のどこかに位置付けようと何年も努力してきました.
しかし今、Vafa と彼の同僚は、ひもの風景の中に、私たちのような宇宙、または私たちのような宇宙は存在しないと推測していました。予想が正しければ、Wrase と他のひも理論家は、宇宙が以前に想定されていたものと大きく異なるか、ひも理論が間違っているに違いないことにすぐに気付きました。
その朝、幼稚園児を送り迎えした後、Wrase はウィーン工科大学に出勤しました。そこでも、彼の同僚は新聞のことで話題になっていました。その同じ日、日本の沖縄で、Vafa は Strings 2018 カンファレンスでこの予想を発表し、それは世界中の物理学者によってストリーミングされました。議論はオンサイトとオフサイトで勃発しました。 「『これは間違っているに違いない』とすぐに言う人もいれば、『ああ、私は何年も前からそう言ってきた』と言う人もいて、すべてがその中間でした」と Wrase 氏は言います。混乱もありましたが、「もちろん、大きな興奮もありました。もしこの推測が正しければ、宇宙論に多大な影響を与えるからです。」
研究者たちは、この推測を検証し、その意味を探る作業に取り掛かりました。 Wrase はすでに 2 つの論文を書いており、そのうちの 1 つは予想の改良につながる可能性があり、どちらも主に家族との休暇中に書かれています。彼は次のように考えたことを思い出しました。私はそれをさらに研究し、研究しなければなりません。」
Vafa、Georges Obied、Hirosi Ooguri、および Lev Spodyneiko による 6 月 25 日の論文で提示され、2 日後に Vafa、Obied、Prateek Agrawal、および Paul Steinhardt によって発表された 2 番目の論文でさらに調査された、予想された公式は、単純に次のように述べています。宇宙が膨張すると、何もない空間の真空中のエネルギーの密度は一定の速度より速く減少しなければなりません。この規則は、すべての単純なひも理論に基づく宇宙のモデルで真であるように見えます。しかし、それは実際の宇宙に関する 2 つの広く信じられている信念に反しています。それは、現在の宇宙の膨張について受け入れられている図と、その爆発的な誕生の主要なモデルの両方が不可能であると考えていることです。
問題のダーク エネルギー
1998 年以来、望遠鏡による観測は、宇宙が常にわずかに速く膨張していることを示しており、何もない空間の真空に、重力的に反発する「暗黒エネルギー」を注入しなければならないことを示唆しています。
さらに、空の空間に注入された暗黒エネルギーの量は、時間の経過とともに一定に保たれているようです (誰でもわかるように)。
しかし、新しい予想は、宇宙の真空エネルギーが減少しているに違いないと主張しています.
ヴァファと同僚は、「デ・シッター宇宙」として知られる安定した一定の正の量の真空エネルギーを持つ宇宙はあり得ないと主張している。 1998 年のダーク エネルギーの発見以来、ストリング理論家は、安定したド シッター宇宙の説得力のあるストリング モデルを構築するのに非常に苦労してきました。しかし、Vafa が正しければ、そのような努力は論理的な矛盾に陥るに違いありません。 de Sitter の宇宙は風景の中ではなく、「沼地」にあります。 「一貫しているように見えるが、最終的には一貫していないもの、私はそれらを沼地と呼んでいます」と彼は最近説明しました. 「それらはほとんど風景のように見えます。あなたは彼らにだまされることができます。あなたはそれらを構築できるはずだと思っていますが、できません。」
この「デ・シッター沼地予想」によれば、考えられるすべての論理宇宙において、真空エネルギーは、丘を転がり落ちるボールのようにその値が低下しているか、安定した負の値を取得しているに違いありません。 (いわゆる「反ド・シッター」宇宙は、安定した負の真空エネルギーを伴う宇宙であり、超弦理論で容易に構築されます。)
この推測が正しければ、宇宙の暗黒エネルギーの密度は一定ではなく、数百億年かけて徐々に減少するエネルギー源である「真髄」と呼ばれる形をとる必要があることを意味します。宇宙が一定の加速率で膨張しているかどうか、つまり、新しい空間が作られるにつれてそれに比例した量の新しい暗黒エネルギーが発生するかどうか、または宇宙の加速が徐々に増加するかどうかをより正確に調べるために、いくつかの望遠鏡実験が現在進行中です。典型的なモデルのように変化します。真髄の発見は、宇宙の歴史と未来を書き換えるなど、基本的な物理学と宇宙論に革命をもたらすでしょう。典型的な宇宙は、ビッグ リップで引き裂かれる代わりに、徐々に減速し、ほとんどのモデルでは、最終的にビッグ クランチまたはビッグ バウンスのいずれかで拡大と縮小が停止します。
プリンストン大学の宇宙学者で Vafa の共著者の 1 人である Paul Steinhardt は、今後数年間、ダーク エネルギー調査、WFIRST、およびユークリッド望遠鏡によるダーク エネルギーの密度が高いかどうかの測定に「すべての目が注がれる必要がある」と述べました。変化。 「それが真髄と一致しないとわかった場合、それは沼地の考えが間違っているか、超弦理論が間違っているか、または両方が間違っているか、何かが間違っていることを意味します。」
包囲下のインフレ
新しい沼沢地予想は、広く信じられている宇宙誕生の話、つまり宇宙インフレーションとして知られるビッグバン理論にも疑問を投げかけています。この理論によれば、エネルギーを注入された微小な時空が急速に膨張し、私たちが住む巨視的な宇宙を形成しています。この理論は、宇宙がいかに巨大で滑らかで平らになったかを部分的に説明するために考案されました。
しかし、宇宙のインフレーションを引き起こしたとされるエネルギーの「インフレトン場」は、Vafa の公式とうまく適合しません。この公式に従うためには、インフレトン場のエネルギーは、滑らかで十分に平坦な宇宙を形成するには、おそらく急速に減少する必要があっただろう、と彼と他の研究者は説明した.したがって、この予想は宇宙インフレーションの多くの一般的なモデルを支持しません。今後数年間で、シモンズ天文台などの望遠鏡は、宇宙インフレーションの決定的な兆候を探し、ライバルのアイデアと比較してテストします.
その間、通常は共同戦線を形成しているひも理論家は、この予想について意見を異にするだろう。スタンフォード大学の物理学教授であり、インフレの弦理論モデルを構築する取り組みのリーダーであるエヴァ・シルバースタインは、それが誤りである可能性が非常に高いと考えています。彼女の夫であるスタンフォード大学教授のシャミット・カクルもそうです。彼は、2003 年の有名な論文 (著者のイニシャルで知られる) KKLT の最初の「K」であり、de Sitter 宇宙を構築するために使用される可能性のある糸状の成分のセットを示唆しています。 Vafa の式は、Silverstein の構造と Kachru の構造の両方が機能しないことを示しています。 「私たちは家族の中でこれらの推測に取り囲まれています」とシルバースタインは冗談を言った.しかし、彼女の見解では、加速的拡大モデルは、新しい論文に照らして、以前よりも嫌われているわけではありません。 「彼らは本質的に、非常に限定的で、場合によっては非常に疑わしい分析を引用して、それらは存在しないと推測しているだけです」と彼女は言いました.
ニューヨーク大学のひも理論家で宇宙論者の Matthew Kleban も、ひも状のインフレーション モデルに取り組んでいます。彼は、ストリングスのランドスケープの多くがまだ調査されていないため、新しい湿地予想は非常に推測的であり、「街灯の推論」の例であると強調しています.それでも彼は、既存の証拠に基づいて、この推測が十分に真実である可能性があることを認めています. 「ひも理論については真実かもしれませんが、ひも理論は世界を説明していない可能性があります」とクレバンは言いました。 「（たぶん）暗黒エネルギーがそれを改ざんした。それは明らかに非常に興味深いでしょう。」
沼地のマッピング
デ・シッター沼地予想と将来の実験が本当にひも理論を反証する力を持っているかどうかはまだ分からない. 2000 年代初頭にひも理論には 10 個ほどの解があるという発見があり、それが私たちの 1 つの宇宙の性質を一意かつ必然的に予測するかもしれないという夢を打ち砕きました。この理論は、ほとんどすべての観察結果を支持できるように思われ、実験的にテストまたは反証することが非常に困難になりました.
2005 年、Vafa と協力者のネットワークは、絶対に真実でなければならない自然の基本的な特徴をマッピングすることによって、可能性を絞り込む方法について考え始めました。たとえば、彼らの「弱い重力予想」は、重力は常にあらゆる論理宇宙で最も弱い力でなければならないと主張しています。そのような要件を満たさない想像上の宇宙は、風景から沼地に放り出されます。カリフォルニア工科大学の理論物理学者で、Vafa の最初の湿地共同研究者の 1 人である大栗博司氏は、これらの湿地予想の多くが攻撃に対して持ちこたえていることは有名であり、一部は現在「非常に強固な理論的基盤の上にある」と述べています。たとえば、弱重力予想は非常に多くの証拠を蓄積してきたため、ひも理論が量子重力の正しい理論であるかどうかに関係なく、現在では一般に成り立つと疑われています。
どこで風景が終わり、どこで沼地が始まるかについての直感は、何十年にもわたる宇宙の筋の通ったモデルを構築するための努力に由来しています。このプロジェクトの主な課題は、ひも理論が 10 の時空次元の存在を予測していることでした。これは、4 次元宇宙で明らかになっているよりもはるかに多くの次元です。ひも理論家は、6 つの余分な空間次元は小さくなければならないと主張しています。ランドスケープは、これらの余分な次元を構成するさまざまな方法から生まれます。しかし、その可能性は非常に大きいものの、Vafa のような研究者は、一般的な原理が明らかになることを発見しました。たとえば、丸まった次元は通常、重力によって内側に収縮しようとしますが、電磁場のような場はすべてを引き離す傾向があります。そして、シンプルで安定した構成では、これらの効果は、負の真空エネルギーを持つことによってバランスが取れ、反ド・シッター宇宙が生成されます。真空エネルギーをプラスにするのは難しい。 「通常、物理学では、一般的な現象の簡単な例があります」と Vafa は言いました。 「デ・シッターはそんなものじゃない。」
Kachru、Renata Kallosh、Andrei Linde、Sandip Trivedi による KKLT の論文では、「フラックス」、「インスタントン」、「アンチ D ブレーン」などのストリング トラッピングが、正で一定の真空エネルギーを構成するためのツールとして機能する可能性があることが示唆されました。しかし、これらの構造は複雑であり、何年にもわたって不安定性の可能性が特定されてきました。 Kachru 氏は「深刻な疑い」はないと述べていますが、多くの研究者は、KKLT シナリオが安定した de Sitter 宇宙を結局生成しないのではないかと疑うようになりました.
Vafa は、確実に安定した de Sitter 宇宙モデルを共同で探すのは、長い間待ち望まれていたと考えています。彼の推測は、とりわけ、この問題を推し進めることを意図している。彼の見解では、ひも理論家は、ひも理論が本当に私たちの世界を説明できるかどうかを判断する十分な動機を感じておらず、代わりに、ひもの世界は巨大であるから、その中に私たちのための場所があるに違いないという態度を取っています。場所はわかります。 「ひも理論のコミュニティの大部分は、依然として [既存の] de Sitter 構造の側にいます」と彼は言いました。したがって、そのタイプの例を用意する必要があります。」
彼の予想はコミュニティを行動に駆り立て、Wrase のような研究者が安定した de Sitter 反例を探している一方で、他の研究者はほとんど調査されていない典型的な宇宙のひも状のモデルをいじっています。 「私は、この推測が真か偽かを知りたいと思っています」と Vafa は言いました。 「問題を提起することは、私たちが何をすべきかです。そして、それに賛成か反対かの証拠を見つける — それが私たちが前進する方法です。」
この記事は、TheAtlantic.com と Spektrum.de に転載されたものです。
