許可を得て転載 Quanta Magazine の Abstractions ブログ。
私たちが見ることができるすべてを超えて何がありますか?その質問は答えられないように思えるかもしれません。それにもかかわらず、一部の宇宙学者は反応を示しています。私たちの宇宙は膨らむ泡です。その外側には、より多くの泡の宇宙が存在し、すべてが永遠に拡大し、エネルギーを与えられた海、つまり多元宇宙に浸っています。
アイデアは二極化しています。一部の物理学者は、なぜ私たちの泡が特別に見えるのかを説明するために多元宇宙を受け入れますが（特定の泡だけが生命を宿すことができる）、他の人は（考えられるすべての宇宙を予測するため）検証可能な予測を行わないという理由で理論を拒否します.しかし、一部の研究者は、理論の正確な結果を解明するのに十分なほど賢くはなかったと予想しています.
現在、さまざまなチームが、多元宇宙のバブルがどのように発生し、それらのバブル ユニバースが衝突したときに何が起こるかを正確に推測する新しい方法を開発しています。
この取り組みに関与しているトロント大学の宇宙学者であるジョナサン・ブレイデン氏は、「それは見込みのないことです」と述べていますが、それは「決してテストできないと思っていたもの」の証拠を探すことであると述べています。
多元宇宙仮説は、私たち自身の宇宙の誕生を理解しようとする努力から生まれました。宇宙の大規模な構造において、理論家は、宇宙の幼年期に爆発的な成長のスパートの兆候を見ています。 1980 年代初頭、宇宙がどのように膨張を開始し、どのように膨張を停止したかを物理学者が調査したところ、不安な状況が浮かび上がりました。研究者たちは、空間がここ (私たちのバブルの宇宙) やあちら (他のバブル) で膨張を止めたとしても、量子効果は空間の大部分を膨張させ続けるはずであることに気付きました。これは永遠の膨張として知られている考えです。
泡の宇宙とその周囲の違いは、宇宙そのもののエネルギーに帰着します。空間が可能な限り空っぽで、これ以上エネルギーを失う可能性がない場合、物理学者は「真の」真空状態と呼んでいます。床に転がっているボールを考えてみてください。それ以上落ちることはありません。しかし、システムは「偽の」真空状態を持つこともできます。テーブルの上のボウルにボールが入っていると想像してください。ボールは、多かれ少なかれその場にとどまりながら、少し転がることができます。しかし、十分に大きな衝撃が加わると、真の真空状態で床に着地します。
宇宙論の文脈では、宇宙は同様に偽の真空状態で立ち往生する可能性があります.疑似真空の斑点は時折真の真空に緩和され (おそらくランダムな量子イベントを介して)、この真の真空は膨らむ泡として外側に膨らみ、疑似真空崩壊と呼ばれるプロセスで、疑似真空の過剰なエネルギーを食べます。私たちの宇宙が爆発的に始まったのは、このプロセスなのかもしれません。ユニバーシティ カレッジ ロンドンの宇宙学者である Hiranya Peiris 氏は、「真空の泡は宇宙の歴史における最初の出来事だった可能性があります」と述べています。
しかし、物理学者は、真空の泡がどのように振る舞うかを予測するのに非常に苦労しています。バブルの未来は、積み重なる無数の詳細に左右されます。気泡も急速に変化し、外側に飛ぶにつれて壁が光速に近づき、量子力学的なランダム性とうねりを特徴とします。これらのプロセスに関するさまざまな仮定は、矛盾する予測をもたらし、どれが現実に似ているかを判断する方法はありません.それはあたかも「物理学者が対処するのが非常に難しい多くのことを取り上げて、それらをすべてまとめて、「先に進んで、何が起こっているのかを理解してください」と言ったかのようです」とブレーデンは言いました。
それらは多元宇宙で実際の真空の泡を作り出すことができないため、物理学者はそれらのデジタルおよび物理的類似物を探してきました.
あるグループは最近、単純なシミュレーションから真空の泡のような挙動を導き出しました。カリフォルニア工科大学の著名な理論物理学者であるジョン・プレスキルを含む研究者は、共著者のアシュリー・ミルステッドが言ったように、「考えられるこの問題の [最も] 赤ちゃんバージョン」から始めました。上向きまたは下向きの 1,000 個のデジタル矢印。主に上向きの矢印の列が主に下向きの矢印の列と出会う場所は、泡の壁を示し、矢印を反転させることで、研究者は泡の壁を動かして衝突させることができました.特定の状況では、このモデルは本質的により複雑なシステムの動作を完全に模倣します。研究者は、これを使用して、誤った真空崩壊と気泡衝突をシミュレートしたいと考えていました.
最初は、単純なセットアップが現実的に機能しませんでした。泡の壁が衝突したとき、それらは完全に跳ね返り、予想される複雑な反響や粒子の流出はありませんでした (反転した矢印が線に沿って波打つ形で)。しかし、いくつかの数学的処理を追加した後、チームは衝突する壁がエネルギー粒子を放出するのを確認しました。衝突が激しくなるにつれて、より多くの粒子が表示されました。
しかし、2020 年 12 月にプレプリントで発表された結果は、従来の計算ではこの問題が行き詰まりを迎えることを予感させます。研究者たちは、結果として生じる粒子が混ざり合うと、それらが「もつれ」、共有された量子状態に入ることを発見しました。それらの状態は、粒子が追加されるたびに指数関数的に複雑になり、最も強力なスーパーコンピューターでさえシミュレーションを窒息させます。
そのため、研究者たちは、気泡の挙動に関するさらなる発見は、成熟した量子コンピューター (計算要素 (キュービット) が量子もつれを直接体験することで処理できるデバイス) を待たなければならない可能性があると述べています。
一方、他の研究者は、自然に計算を任せたいと考えています.
イギリスのダラム大学の物理学者であるマイケル・スパノウスキーとスティーブン・アベルは、真空と同じ量子ルールで機能する装置を使用することで、難しい計算を回避できると考えています。 「自然界で実現されているデバイスでシステムをエンコードできれば、それを計算する必要はありません」と Spannowsky 氏は述べています。 「理論的な予測というよりも、実験のようなものになります。」
そのデバイスは、量子アニーラーとして知られています。限定された量子コンピューターであり、最適化問題の解決に特化しており、量子ビットに利用可能な最低エネルギー構成を探し出させます。これは、偽の真空崩壊と似ていないプロセスです。
Abel と Spannowsky は、D-Wave と呼ばれる市販の量子アニーラーを使用して、約 200 キュービットの文字列をプログラムし、偽の真空と真の真空に類似した高エネルギー状態と低エネルギー状態の量子場をエミュレートしました。その後、システムを解放し、前者が後者にどのように崩壊するかを観察しました。これにより、真空バブルが誕生しました。
2020 年 6 月のプレプリントで説明されたこの実験は、既知の量子効果を検証しただけで、真空崩壊について新しいことは何も明らかにしませんでした。しかし研究者たちは、最終的には D-Wave を使用して、現在の理論的予測を超えることを望んでいます.
3 番目のアプローチは、コンピューターを置き去りにして、バブルを直接吹き飛ばすことを目的としています。
ほぼ光速で膨張する量子バブルは簡単に手に入るものではありませんが、2014 年にオーストラリアとニュージーランドの物理学者が、ボーズ アインシュタイン凝縮体（BEC ）。ほぼ絶対零度まで冷却すると、ガスの薄い雲が凝縮して BEC になり、その珍しい量子力学的特性には、2 つのレーザーが干渉するのと同じように、別の BEC に干渉する能力が含まれます。グループは、2 つの凝縮体が適切な方法で干渉する場合、実験者は凝縮体で形成される気泡の直接画像をキャプチャできるはずであると予測しました。これは、多元宇宙の推定上の気泡と同様に機能します。
「これは実験であるため、定義上、量子効果や古典的効果を含め、自然が入れようとするすべての物理学が含まれています」と Peiris 氏は述べています。
Peiris は、無関係な影響による崩壊に対して凝縮体のブレンドを安定させる方法を研究している物理学者のチームを率いています。何年にもわたる作業の後、彼女と彼女の同僚はついにプロトタイプ実験をセットアップする準備が整いました。彼らは今後数年で凝縮の泡を吹き飛ばすことを望んでいます.
すべてがうまくいけば、彼らは 2 つの質問に答えます:バブルが形成される速度と、1 つのバブルの膨張が別のバブルが近くで膨張する確率をどのように変化させるかです。これらのクエリは、現在の数学で定式化することさえできないと、実験の理論的基礎に貢献した Braden 氏は述べています。
その情報は、ブレイデンやペイリスのような宇宙学者が、遠い過去に近隣のバブル宇宙からの衝撃がどのように宇宙を震わせたのかを正確に計算するのに役立ちます.そのような遭遇からの可能性のある傷跡の 1 つは、空の円形のコールド スポットであり、 Peiris と他の人たちが探しましたが 見つかりませんでした。しかし、衝突が重力波も生成するかどうかなど、その他の詳細は、未知の気泡の詳細に依存します。
多元宇宙が蜃気楼にすぎないとしても、それを解明するために開発されているさまざまなツールが物理学に恩恵をもたらす可能性があります。マルチバースを理解することは、どこにでもある宇宙の物理を理解することです。
偽の真空崩壊は、「物理学のどこにでもある特徴のようです」と Peiris 氏は言い、「個人的には、鉛筆と紙の理論計算がそこに到達するとは信じていません。」
チャーリー・ウッドは、地球の内外での物理科学の発展を取材するジャーナリストです。彼の作品は に掲載されています サイエンティフィック アメリカン、 Christian Science Monitor 、LiveScience などの出版物。以前は、モザンビークと日本で物理学と英語を教え、ブラウン大学で物理学の学士号を取得しています。
