スティーブン ホーキングが 3 月 14 日に亡くなったとき、有名な理論物理学者はまだいくつかの論文を執筆中でした。今日、Journal of High Energy Physics は、宇宙がどのように誕生し、進化したかについての科学である宇宙論に関する彼の最後の研究を発表しました。 (ブラック ホールに関する他の論文はまだ準備中です。) 新しい論文で、ベルギーのルーベン カトリック大学 (KU) の理論物理学者であるホーキング博士とトーマス ヘルトーグ博士は、永久インフレーションと呼ばれる奇妙な概念にピンを刺そうと試みています。これは、一部の物理学者によると、必然的に、私たちの宇宙は多元宇宙の無限にある宇宙の 1 つに過ぎないことを意味します。ひも理論から概念を借りて、ホーキングとヘルトグは、永遠のインフレーションはなく、宇宙は 1 つだけであると主張します。しかし、彼らが目指しているのは、もっと基本的なことです。彼らは、私たちの宇宙には創造の瞬間が一度もなかったと主張しています.
議論はどのように機能しますか？その巻き糸を最初の最後までたどってください。
しましょう 基本から始めましょう:宇宙インフレーションとは?
宇宙のインフレーションは、最初のほんの一瞬の間に幼児宇宙を引き延ばしたとされる記念碑的な成長のスパートです。アメリカの理論家アラン・ガスが 1979 年に思いついたインフレーションは、ビッグバンの直後に空間が指数関数的に伸び、劇的に減速する前に宇宙のサイズを少なくとも 60 倍以上倍増させたと主張しています。
なぜ宇宙論者はこれほどまでに奇妙なことを信じるのでしょうか?
インフレは主要なパズルを解決します:なぜ宇宙はこれほど一様なのか?例えば、宇宙は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) であるビッグバンから残っている放射線で満たされています。空のどこでもほぼ同じ温度です。宇宙が存在してきた 138 億年の間に、ある点から別の点へと影響が及ぶには、一見、広く離れた点が離れすぎているように見えるため、これは奇妙です。インフレーションは、空のすべての点が相互作用するのに十分なほど近くに始まり、その後遠くに引き伸ばされたことを暗示することによって、そのパズルを解決します.
インフレはそれだけですか?
皮肉なことに、インフレーションは、宇宙が完全に一様ではない理由を説明するのにも役立ちます。明らかに、宇宙には銀河がちりばめられています。理論によれば、インフレーションは最初の瞬間に極小の量子ゆらぎを銀河外のサイズに引き延ばした。ゆらぎは、銀河の形成の種となった基本粒子の密なスープに変化をもたらしました。インフレは、より長い変動と短い変動の特定のスペクトルを予測します。驚くべきことに、CMB と銀河の研究がその分布を確認しています。
それでどうした 永遠のインフレ?
ここで、インフレの概念自体が問題に直面します。物理学者は、特に理由もなくインフレが突然止まるという考えを非常に嫌います。彼らはむしろ、何がインフレを引き起こし、それを止めたのかを説明するメカニズムを望んでいます.そのため、彼らは、ピーターアウトする前に、ある種の量子場がそれを駆動したと考えています。この考えは、空間が指数関数的に伸びるほぼ安定した高エネルギーの「偽の真空」状態でフィールドが始まるというものです。次に、空間がはるかにゆっくりと膨張する真の最低エネルギー状態に緩和します。
ただし、シナリオは少しうまく機能します。指数関数的に拡大する疑似真空は、ますますそれ自体を生み出します。私たちの宇宙は、低エネルギーの真の真空状態への移行を経たパッチです。しかし、そのような遷移はランダムに発生するはずなので、他の宇宙もたくさんあるはずです.実際、このプロセスは、よりゆっくりと成長する無限の数の「ポケット ユニバース」をちりばめた、指数関数的な速度で成長するますます多くのスペースを生成する必要があります。
それは問題ですか?
それはあなたが誰に尋ねるかによります。最も基本的なレベルでは、これらすべての他の宇宙の存在は、私たちの宇宙に影響を与えません.彼らはあまりにも遠くにいるので、私たちとは何の関係もありません。一方、永遠のインフレーションと多元宇宙の概念は、宇宙論者がなぜ宇宙がそのようになっているのかを説明しようとする試み全体を妨害する可能性がある、と Hertog は言う。特定の主要な物理定数の値などは、ポケット ユニバース間でランダムに異なる可能性があると彼は言います。 Hertog 氏によると、これらは偶然に設定されるものであり、満足のいくものではありません。
ホーキング博士はどうする と Hertog' 問題を解決する論文はありますか?
ホーキングとヘルトグは、実際には永遠のインフレーションは起こらないと主張しています。それを行うために、彼らはひも理論から概念を借りて、異なる次元を持つ 2 つの異なるタイプの理論を同一視できるようにします。 1997 年、アルゼンチン系アメリカ人の理論家フアン マルダセナは、重力が作用する空間の体積を考察しました。現在、ニュージャージー州プリンストンの高等研究所にいるマルダセナは、その理論が、重力を含まない空間の境界に関する、扱いやすい量子論と同等であることを実証しました。それは、ソーダの缶の中で起こっていることは、缶の表面で起こっていることだけを説明する理論によって捉えることができると言っているようなものです.
非常に初期の宇宙では、インフレーションを駆動するフィールドの量子変動がフィールドの平均値と同じくらい大きいため、永遠のインフレーションが発生します。しかし、ホーキングとヘルトグは、そのような条件下では、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論を単純に続けることはできず、代わりにマルダセナのような操作を使用して、1 つ少ない次元の空間で全体の状況を表示する必要があると主張しています。その代替空間では、物事はより扱いやすく、物理学は永遠のインフレーションにつながらないと彼らは主張しています。代わりに、行儀の良い単一の宇宙が融合します。
では、これは宇宙の始まりと何の関係があるのでしょうか?
ここで、物事が面白く、そしてトリッキーになります。 1 つ少ない次元の空間で 1 つの理論を別の理論と同一視する概念は、ホログラフィーとして理論物理学者に知られています。彼の作品の中で、マルダセナは、空間次元が 1 つ少ない空間で、ある理論を別の理論と同一視しました。しかし、Hertog は、ホログラフィーの原理により、理論家は代わりに時間の次元を捨てることができると主張している。そのため、ホーキングとヘルトグの理論では、ホログラフィーの原理により、非常に初期の宇宙は、時間のない 3 つの空間次元だけの理論によって記述されなければなりません。
では、なぜ時間をなくしたいのでしょうか?
宇宙に始まりがあることが明らかになって以来、その誕生の瞬間は理論家にとって頭痛の種でした。大雑把に言えば、アインシュタインの一般相対性理論は、ビッグバンの瞬間以降のことをうまく説明できますが、創造の瞬間そのものを扱うことはできません。その瞬間は時空に「特異点」を形成し、無限に爆発する数学関数のように、理論をつまずかせます。そのため、理論家は長い間、その特異点を回避する方法を模索してきました。時間を失うことは、その方法の 1 つです。
これは、ホーキング博士のキャリア全体を魅了した問題だとヘルトグは言います。何十年も前に、彼は当初、時間は大雑把に言えば次元的なものであり、新しい作品とは噛み合わないアイデアであったと推測することで、別の修正を提案しました.
それで、永遠のインフレーションとビッグバン特異点はこれで終わりですか?
おそらくそうではありません。他の人は、ホーキングとヘルトグの次元変化関係の呼び出しを精査するでしょう。たとえ他の研究者がそれが健全であると判断したとしても、まだ大きな疑問が残っている、と Hertog は認めている。理論家が空間次元のみの理論から始めた場合、時間は最終的にどのようにそこから出現するのでしょうか? 「私たちは新しいパラダイムを捨てました」と Hertog 氏は言います。「しかし、やるべきことはたくさんあります。」
*訂正、5 月 3 日午前 10 時: このストーリーは、Institute for Advanced Study の名前を修正するために更新されました。
