20 年近く前から、宇宙学者は宇宙の膨張が加速していることを知っていました。あたかも神秘的な「暗黒エネルギー」が風船のように宇宙を吹き飛ばしているようです。暗黒エネルギーが何であるかは、物理学における最大の謎の 1 つです。現在、3 人の理論家が、暗黒エネルギーは驚くべき発生源から発生する可能性があると主張しています。不思議なことに、高校の物理の授業で学んだこととは反対に、宇宙のエネルギーの総量は固定されておらず、「保存」されておらず、徐々に消失する可能性があるため、暗黒エネルギーが発生する可能性があると彼らは言います.
この研究には関わっていないが、南アフリカのケープタウン大学の理論家であるジョージ・エリスは、「探求するのに素晴らしい方向性だ」と言う。しかし、英国のノッティンガム大学の理論家であるアントニオ・パディラは、「私は必ずしも彼らが行ったことを支持しているわけではありません」と述べています.
暗黒エネルギーは、電場に少し似た、空間を満たす新しい場になる可能性があります。あるいは、宇宙定数と呼ばれる空間自体の一部 (真空に固有の圧力) である可能性もあります。 2 番目のシナリオは、アインシュタインの一般相対性理論とよく一致します。一般相対性理論では、質量とエネルギーが空間と時間をゆがめたときに重力が発生すると仮定しています。実際、アインシュタインは宇宙定数を発明しました。文字通り、彼の有名な微分方程式に定数を追加することによって、宇宙が自身の重力の下で崩壊するのにどのように抵抗したかを説明しました。しかし、1920 年代に天文学者が宇宙が静的ではなく、爆発で生まれたかのように膨張していることを発見したとき、彼はその考えを不必要だとあきらめました。
宇宙の膨張が加速しているという観測により、宇宙定数は復活しました。ただし、量子力学を取り入れると、宇宙定数のケースは扱いにくくなります。量子力学は、真空自体がいつの間にか変動することを示唆しています。一般相対性理論では、これらの小さな量子ゆらぎが宇宙定数として機能するエネルギーを生成します。しかし、それは 120 桁も大きすぎるはずで、宇宙を消し去るには十分な大きさです。そのため、宇宙定数が存在する理由を説明することは、物理学者にとって主要な概念上のパズルを提示します。 (宇宙定数の必要がなかったとき、理論家は、まだ知られていない何らかの効果が単にそれをゼロに釘付けにしたと仮定しました.)
現在、フランスのエクス マルセイユ大学の Thibault Josset と Alejandro Perez、およびメキシコシティにあるメキシコ国立自治大学の Daniel Sudarsky は、宇宙定数の妥当な値を取得する方法を発見したと述べています。それらは、アインシュタイン自身が発明した単モジュラー重力と呼ばれる一般相対性理論の変種から始まります。一般相対性理論は、一般共分散と呼ばれる数学的対称性を前提としています。イベントの位置と時間 - 理論の予測は同じでなければなりません。その対称性は、エネルギーと運動量が保存されることを即座に必要とします。ユニモジュラー重力は、その数学的対称性のより限定されたバージョンを持っています。
単モジュラー重力は、一般相対性理論の予測のほとんどを再現します。ただし、その場合、真空の量子ゆらぎは重力を生成したり、宇宙定数を追加したりしません。宇宙定数は、これもまた、目的の値に設定できる定数にすぎません。ただし、コストがかかります。ユニモジュラー重力はエネルギーを保存する必要がないため、理論家はその制約を任意に課さなければなりません。
しかし今、Josset、Perez、および Sudarsky は、単モジュラー重力において、エネルギーと運動量の保存の違反を許すだけで、宇宙定数の値を実際に設定することを示しています。議論は数学的なものですが、本質的に、宇宙で消えるわずかなエネルギーは、宇宙定数を徐々に変化させることによってその痕跡を残します. 「このモデルでは、暗黒エネルギーは、宇宙の歴史を通じてどれだけのエネルギーと運動量が失われたかを追跡するものです」と Perez は言います。
理論が合理的な結果をもたらすことを示すために、理論家は、量子力学の基本的な問題に対処する理論でエネルギー保存の違反がどのように発生するかについて、2 つのシナリオを検討します。たとえば、連続自発局在化 (CSL) と呼ばれる理論は、電子のような素粒子が文字通り一度に 2 つの場所に存在できる理由を説明しようとしていますが、車のような大きな物体はそうではありません。 CSL は、このような一度に 2 か所の状態が自発的にいずれかの場所に崩壊することを前提としています。この確率は、オブジェクトのサイズに応じて増加し、大きなオブジェクトが 2 か所の状態にとどまることは不可能になります。 CSL の弱点は、エネルギーを節約しないことです。しかし、理論家は、エネルギー保存が破られる量は、適切なサイズの宇宙定数を与えるのに大まかに十分であることを示しています.
この研究の目新しさは、エネルギー保存則の破れを利用して暗黒エネルギーを量子論の拡張の可能性に結びつけるところにある、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理論家であるリー・スモリンは言う。 「それは決して決定的なものではありません」と彼は言います。 「しかし、この 2 つのことを結びつけるのは興味深い仮説であり、私の知る限り、これまで誰も接続を試みたことがありませんでした。」
しかし、パディラは、理論家たちは数学的な早業をしていると言います。彼らはまだ、宇宙定数が説明できない小さな値から始まると仮定しなければならない、と彼は言う。しかし、エリスは、電子の電荷や光の速度など、物理学には説明のつかない定数がたくさんあることに注目しています。 「これは、長いリストにもう 1 つの定数を追加するだけです。」
Padilla はまた、この研究は、最大スケールの現象が最小スケールの現象に依存してはならないという考えに反していると主張している。 「あなたは宇宙のスケールで何かを説明しようとしています」と彼は言います. 「量子力学の詳細に敏感であると本当に期待していますか?」しかし、スモリンは、宇宙定数の問題はすでに宇宙と量子の領域を結びつけていると主張している。したがって、彼は、「これはおそらく正しい可能性がある新しいアイデアであり、興味を持ってもらう価値がある」と述べています。
