1981 年、世界をリードする宇宙論者の多くが教皇科学アカデミーに集まりました。このアカデミーは、バチカンの庭園にあるエレガントなヴィラにある科学と神学の系統の名残りです。スティーブン・ホーキングは、後に彼の最も重要なアイデアと見なすことになるものを提示するために 8 月の設定を選びました:宇宙が無からどのように生じたかについての提案です.
ホーキング博士の講演の前に、科学的または神学的なすべての宇宙起源の物語は、「その前に何が起こったのか?」という再反論を招いていました。たとえば、ビッグバン理論は、ベルギーの物理学者であり、後にバチカン科学アカデミーの会長を務めたカトリック司祭のジョルジュ・ルメートルによるホーキングの講演の 50 年前に開拓されたものであり、宇宙の膨張を熱く密集した束に巻き戻します。エネルギー。しかし、最初のエネルギーはどこから来たのでしょうか?
ビッグバン理論には他にも問題がありました。物理学者は、現代の天文学者が観察する巨大で滑らかな宇宙ではなく、拡大するエネルギーの束がしわくちゃの混乱に成長することを理解していました.ホーキング博士の講演の前年である 1980 年、宇宙学者のアラン・グースは、ビッグバンの問題はアドオンで解決できることに気付きました。宇宙インフレーションとして知られる初期の指数関数的な成長のスパートで、宇宙は巨大で滑らかで平らになります。重力がそれを破壊する前に。インフレーションはすぐに私たちの宇宙の起源の主要な理論になりました.しかし、初期条件の問題は残っていました。私たちの宇宙に膨らんだとされる極小のパッチと、それを膨らませた位置エネルギーの源は何でしたか?
ホーキング博士はその才気で、時間をさかのぼる際限のない手探りを終わらせる方法を見出しました。彼は、終わりも始まりもまったくないことを提案しました。バチカン会議の記録によると、当時 39 歳だったケンブリッジの物理学者で、今でも自分の声で話すことができる彼は、群衆に次のように語っています。境界がないという条件よりも特別なことは?」
ホーキング博士と彼の頻繁な共同研究者であるジェームズ・ハートル氏が 1983 年の論文で完全に策定した「無境界提案」は、宇宙がシャトルコックの形をしていると想定しています。シャトルコックが最下点で直径がゼロで、上に向かって徐々に広がっていくように、宇宙は、無境界の提案によれば、大きさがゼロの点から滑らかに拡大しました。ハートルとホーキングは、シャトルコック全体を記述する式を導き出しました — いわゆる「宇宙の波動関数」であり、過去、現在、未来全体を一度に網羅します — 創造の種、創造者、または宇宙からの移行についてのすべての熟考を無意味にします。
ホーキング博士は、1年半前の2016年に教皇アカデミーで行われた別の講演で、「ビッグバンの前に何が起こったのかを尋ねることは無意味です。なぜなら、参照できる時間の概念がないからです。」彼の死。 「南極の南には何があるかを尋ねるようなものです。」
ハートルとホーキングの提案は、時間を根本的に再概念化しました。宇宙の一瞬一瞬が羽根の断面になります。私たちは宇宙をある瞬間から次の瞬間へと拡大し、進化していると認識していますが、時間は実際には、各断面における宇宙のサイズと他の特性 (特にそのエントロピーまたは無秩序) との間の相関関係で構成されています。エントロピーはコルクから羽毛まで増加し、時間の緊急の矢を目指します。ただし、シャトルコックの四捨五入された底の近くでは、相関関係の信頼性は低くなります。時間は存在しなくなり、純粋な空間に置き換わります。現在 79 歳で、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の教授である Hartle 氏は、最近電話で次のように説明しました。後で鳥がいます。 …初期の宇宙には時間がありませんでしたが、後で時間があります。」
境界のない提案は、ほぼ 40 年間、物理学者を魅了し、刺激してきました。 「これは驚くほど美しく挑発的なアイデアです」と、カナダの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宇宙論者で、ホーキング博士の元共同研究者であるニール・トゥロックは言いました。この提案は、宇宙の量子記述 (宇宙の波動関数) に対する最初の推測を表しています。研究者が宇宙が無からどのように発生したかについて代替案を考案し、理論のさまざまな予測とそれらをテストする方法を分析し、それらの哲学的意味を解釈したため、すぐに量子宇宙論という分野全体が生まれました。ハートルによれば、境界のない波動関数は、「ある意味で、そのための最も単純な提案でした」
しかし 2 年前、Turok、Perimeter Institute の Job Feldbrugge、ドイツの Max Planck Institute for Gravitational Physics の Jean-Luc Lehners による論文で、Hartle-Hawking の提案は疑問視されました。もちろん、この提案は、ハートルとホーキングが想像したように無次元点から曲がった宇宙が、私たちのような宇宙に自然に成長する場合にのみ実行可能です.ホーキングとハートルは、境界のない宇宙は、実際の宇宙と同じように、巨大で、息をのむほど滑らかで、驚くほど平らで、膨張する傾向があると主張しました。 「スティーブンとジムのアプローチの問題点は、あいまいだったことです」とトゥロックは言いました — 「非常にあいまいです。」
Physical Review Letters に掲載された 2017 年の論文で 、Turok と彼の共著者は、Hartle と Hawking の境界なしの提案に新しい数学的手法を使用してアプローチしました。彼らの見解では、その予測は以前よりもはるかに具体的です。 「惨めに失敗しただけだということがわかりました」とTurok氏は言います。 「彼らが想像したように宇宙が始まることは、量子力学的には不可能でした。」トリオは公開前に数学をチェックし、その根底にある仮定を調べましたが、「残念ながら」Turok 氏は、「Hartle-Hawking の提案が惨事であったことは避けられないように思われました」と述べています。
その論文は論争に火をつけた.他の専門家は、境界のない考えを積極的に擁護し、Turok と同僚の推論に反論しました。ホーキング博士の生前の 20 年間、ホーキング博士と密接に協力してきたベルギーのルーヴェン・カトリック大学の物理学者 Thomas Hertog 氏は、次のように述べています。 「しかし、より根本的には、彼の定義、枠組み、原則の選択にも同意しません。そして、それがより興味深い議論です。」
2 年間のスパーリングの後、グループは技術的な意見の相違の原因を突き止め、自然がどのように機能するかについての異なる信念にたどり着きました。白熱した、しかし友好的な議論は、ホーキング博士の空想を最もくすぐった考えを固めるのに役立った。 Turok と Lehners を含む、彼と Hartle の特定の式に対する批評家でさえ、オリジナルの無限の魅力を維持しながら、オリジナルの落とし穴を回避しようとする競合する量子宇宙モデルを作成しています。
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Hartle と Hawking は、1970 年代以降、ケンブリッジで長期間の共同作業を行ったときに、お互いに多くのことを知りました。ブラック ホールとその中心にある神秘的な特異点に関する 2 人の理論的調査により、2 人は私たちの宇宙の起源について疑問を抱くようになりました。
1915 年、アルバート アインシュタインは、物質またはエネルギーの集中が時空の構造をゆがめ、重力を引き起こすことを発見しました。 1960 年代、ホーキング博士とオックスフォード大学の物理学者ロジャー ペンローズは、時空がブラック ホールの内部やビッグ バンの最中などに急激に曲がると、必然的に崩壊し、アインシュタインの方程式が壊れる特異点に向かって無限に急激に湾曲することを証明しました。ダウンし、重力の新しい量子理論が必要です。ペンローズ・ホーキングの「特異点定理」は、ある時点で時空がスムーズに、非劇的に始まる方法がないことを意味していました.
したがって、ホーキングとハートルは、宇宙が動的な時空ではなく、純粋な空間として始まった可能性を熟考するようになりました。そして、これが彼らを羽根の幾何学へと導きました。彼らは、ホーキング博士の英雄である物理学者のリチャード・ファインマンによって発明されたアプローチを使用して、そのような宇宙を記述する無境界波動関数を定義しました。 1940 年代、ファインマンは、量子力学的事象の最も可能性の高い結果を計算するためのスキームを考案しました。たとえば、粒子衝突の最も可能性の高い結果を予測するために、Feynman は、衝突する粒子がたどる可能性のあるすべての経路を合計し、その合計では複雑な経路よりも単純な経路に重みを付けることができることを発見しました。この「経路積分」を計算すると、波動関数が得られます。これは、衝突後の粒子のさまざまな可能な状態を示す確率分布です。
同様に、Hartle と Hawking は、宇宙の波動関数 (ありそうな状態を表す) を、ある点から滑らかに膨張した可能性のあるすべての方法の合計として表現しました。期待されたのは、すべての可能な「膨張履歴」、つまりさまざまな形状とサイズの滑らかな底の宇宙の合計が、私たちのような巨大で滑らかで平らな宇宙に高い確率を与える波動関数を生み出すことでした.可能性のあるすべての拡張履歴の加重和が、最も可能性の高い結果として別の種類の宇宙をもたらす場合、境界のない提案は失敗します。
問題は、すべての可能な展開履歴にわたる経路積分が複雑すぎて正確に計算できないことです。無数の異なる形状とサイズの宇宙が可能であり、それぞれが厄介な問題になる可能性があります. 「マレー・ゲルマンはよく私に尋ねました」とハートルは、ノーベル賞を受賞した故物理学者に言及して、「宇宙の波動関数を知っているなら、なぜあなたは金持ちではないのですか?」と言いました。もちろん、ファインマンの方法を使用して実際に波動関数を解くために、ハートルとホーキングは、私たちの世界に存在する特定の粒子さえも無視して、状況を大幅に単純化する必要がありました (つまり、彼らの式は株式市場を予測できるほどにはほど遠いものでした)。 .彼らは、単一のエネルギー場が通過するすべての宇宙のセットとして定義される「ミニ超空間」におけるすべての可能なおもちゃの宇宙にわたる積分経路を考えました:宇宙インフレーションを駆動するエネルギー。 (Hartle と Hawking のシャトルコックの写真では、バルーニングの最初の期間は、コルクの底付近で直径が急速に増加することに対応しています。)
ミニ超空間の計算でさえ正確に解くことは困難ですが、物理学者は、計算を支配する可能性のある膨張の歴史が 2 つあることを知っています。これらの対立する宇宙の形は、現在の議論の 2 つの側面を支えています。
競合する解決策は、宇宙が持つことができる 2 つの「古典的な」膨張の歴史です。サイズゼロからの宇宙インフレーションの最初の噴出に続いて、これらの宇宙は、アインシュタインの重力理論と時空の理論に従って着実に拡大します。フットボールの形をした宇宙やイモムシのような宇宙のような奇妙な膨張の歴史は、量子計算ではほとんど相殺されます。
2 つの古典的な解決策のうちの 1 つは、私たちの宇宙に似ています。大規模では、インフレーション中の量子変動により、滑らかでランダムにまだらになっています。現実の宇宙と同様に、領域間の密度差は、ゼロ付近でベル カーブを形成します。この可能な解決策が実際にミニスーパースペースの波動関数を支配する場合、境界のない波動関数のはるかに詳細で正確なバージョンが、現実の宇宙の実行可能な宇宙モデルとして機能する可能性があると想像するのが妥当になります.
もう1つの潜在的に支配的な宇宙の形は、現実のようなものではありません.それが広がるにつれて、それに注入されるエネルギーはますます極端に変化し、重力が着実に悪化する場所ごとに巨大な密度差を生み出します.密度の変化は逆ベル曲線を形成し、領域間の差はゼロではなく無限大に近づきます。これがミニスーパースペースの無境界波動関数の支配的な項である場合、Hartle-Hawking の提案は間違っているように思われます。
2 つの支配的な展開履歴は、経路積分を行う方法の選択肢を提示します。主要な歴史が地図上の 2 つの場所、つまり可能なすべての量子力学的宇宙の領域にある巨大都市である場合、問題は、その地形をどの道をたどるべきかということです。私たちの「統合の輪郭」が取り上げるべき支配的な拡大の歴史はどれですか？研究者はさまざまな道を分岐してきました.
2017 年の論文で、Turok、Feldbrugge、Lehners は、2 番目に支配的な解決策につながる可能性のある拡張履歴の庭をたどりました。彼らの見解では、唯一の適切な等高線は、「経過」と呼ばれる変数について、(負の数の平方根を含む虚数値とは対照的に) 実数値をスキャンするものです。ラプスは本質的に、可能な各シャトルコック宇宙の高さ、つまり特定の直径に到達するのにかかる距離です。因果的要素を欠いているため、経過は私たちの通常の時間の概念ではありません.しかしTurokと同僚は、部分的に因果関係に基づいて、経過の実際の値のみが物理的な意味を成すと主張しています。そして、経過の実際の値を持つ宇宙を合計すると、大きく変動する、物理的に無意味な解決策につながります。
「人々はスティーブンの直感に大きな信頼を寄せています」とトゥロックは電話で語った. 「もっともな理由があります — つまり、彼はおそらくこれらのトピックに関して誰よりも優れた直感を持っていたのです。しかし、彼は常に正しいとは限りませんでした。」
架空の宇宙
インペリアル カレッジ ロンドンの物理学者であるジョナサン ハリウェルは、1980 年代にホーキング博士の学生だったときから、境界のない提案を研究してきました。彼とハートルは、1990 年に積分の輪郭の問題を分析しました。彼らの見解では、ヘルトグ、そして明らかにホーキングも同様に、輪郭は基本的なものではなく、むしろ最大の利点を生かすことができる数学的ツールです。これは、太陽の周りを回る惑星の軌道が、一連の角度、一連の時間、またはその他の便利なパラメーターのいずれかで数学的に表現される方法に似ています。 「そのパラメータ化はさまざまな方法で行うことができますが、どれも別の方法よりも物理的ではありません」と Halliwell 氏は述べています。
彼と彼の同僚は、ミニスーパースペースの場合、適切な膨張履歴を拾う等高線のみが意味をなすと主張しています。量子力学では、確率を 1 に加算する、つまり「正規化可能」にする必要がありますが、Turok のチームが到達した激しく変動する宇宙はそうではありません。その解決策は無意味であり、無限大に悩まされ、量子法則によって許可されていません。これは、ノーバウンダリーの擁護者によると、反対の道を歩む明らかな兆候です.
確かに、適切な解を通過する等高線は、可能な宇宙をその経過変数の虚数値で合計します。しかし、Turok と会社を除いて、それが問題だと考える人はほとんどいません。虚数は量子力学に浸透しています。チーム Hartle-Hawking に対して、批評家は失効が現実であることを要求することで、因果関係の誤った概念を呼び起こしています。 「それは星に書かれていない原則であり、私たちは深く同意しません」と Hertog 氏は述べています。
Hertog によれば、ホーキングは晩年、無境界波動関数の経路積分定式化についてほとんど言及しなかった。彼は、パス積分が明らかにするのに役立っただけの正規化可能な膨張の歴史を、1960 年代に物理学者のジョン ウィーラーとブライス デウィットによって提示された宇宙に関するより基本的な方程式の解であると見なしました。ウィーラーとデウィットは、ローリー・ダーラム国際での乗り継ぎ中にこの問題について熟考した後、宇宙の波動関数は、それが何であれ、時間に依存することはできないと主張しました。したがって、宇宙のエネルギー量は、物質と重力の正と負の寄与を合計すると、永久にゼロに留まらなければなりません。無境界波動関数は、ミニ超空間のホイーラー・デウィット方程式を満たします。
彼の人生の最後の年に、波動関数をより一般的によりよく理解するために、ホーキングと彼の共同研究者は、時空をホログラムとして扱う大ヒットの新しいアプローチであるホログラフィーの適用を開始しました。ホーキング博士は、過去全体の幾何学が現在から投影される、羽根の形をした宇宙のホログラフィック記述を求めました.
その努力は、ホーキング博士の不在中も続いています。しかし、Turok は、この重点の変化をルールの変更と見なしています。経路積分定式化から遠ざかることで、境界のない考えの支持者はそれを不明確にしたと彼は言います。彼の意見では、彼らが研究しているのはもはやハートル・ホーキングではありませんが、ハートル自身は同意していません.
この 1 年間、Turok と Perimeter Institute の同僚である Latham Boyle と Kieran Finn は、境界のない提案と多くの共通点を持つ新しい宇宙モデルを開発してきました。しかし、シャトルコックは 1 つではなく、コルクからコルクへと配置された 2 つの羽根が砂時計のような形をしており、時間は両方向に流れています。モデルはまだ予測を行うのに十分なほど開発されていませんが、そのローブが CPT 対称性を実現する方法にその魅力があります。CPT 対称性は、物質と反物質、左と右、時間の前後を同時に反射する一見基本的な鏡です。欠点の 1 つは、宇宙の鏡像のローブが特異点で出会うことです。これは、未知の量子重力理論を理解する必要がある時空のピンチです。ボイル、フィン、トゥロックは特異点に挑みますが、そのような試みは本質的に投機的です。
また、ロシア系アメリカ人の宇宙学者アレクサンダー・ビレンキンとアンドレイ・リンデが80年代に独自に考案した「トンネル提案」への関心も復活している。この提案は、主にマイナス記号によって境界のない波動関数とは異なり、宇宙の誕生を量子力学的な「トンネリング」イベントとしてキャストします。これは、量子力学的実験で粒子が障壁を越えて飛び出すときと同様です。 .
さまざまな提案が人類学的推論や悪名高い多元宇宙のアイデアとどのように交差するかについて、疑問がたくさんあります。たとえば、境界のない波動関数は空の宇宙を支持しますが、巨大さと複雑さを動かすにはかなりの物質とエネルギーが必要です。ホーキング博士は、波動関数によって可能になる可能性のある宇宙の広大な広がりはすべて、より大きな多元宇宙で実現されなければならないと主張しました。 （最近の議論は、これらの複雑で居住可能な宇宙が滑らかになるか、激しく変動するかに関するものです。）トンネル提案の利点は、人類学的推論に頼ることなく、私たちのような物質とエネルギーで満たされた宇宙を支持することです。他の問題があるかもしれません。
いずれにせよ、ホーキング博士が 38 年前にローマ法王庁科学アカデミーで最初に描いた絵のエッセンスが残ることになるでしょう。あるいは、南極のような非始まりではなく、結局、宇宙は特異点から出現し、まったく異なる種類の波動関数を要求した.いずれにせよ、追跡は続きます。 「量子力学の理論について話している場合、波動関数以外に何を見つけることができるでしょうか?」ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の著名な理論物理学者であるフアン・マルダセナは、最近の争いからほとんど離れていた.宇宙の波動関数の問題は、「質問するのにふさわしい種類の質問です」と、偶然にも教皇アカデミーのメンバーであるマルダセナは述べました。 「適切な波動関数を見つけているのか、それとも波動関数についてどのように考えるべきなのか - それはあまり明確ではありません。」
訂正:この記事は 2019 年 6 月 6 日に改訂され、Latham Boyle と Kieran Finn が CPT 対称宇宙のアイデアの共同開発者として挙げられました。
