私たちの宇宙には 2 つの興味をそそるミステリーがあり、1 つはその最終的な運命を扱っており、もう 1 つはその始まりを扱っており、何十年にもわたって宇宙学者の興味をそそってきました。コミュニティは常に、これらは独立した問題であると信じてきましたが、そうでない場合はどうなりますか?
第一の問題は、現在宇宙の膨張を加速させ、その最終的な運命を決定する「暗黒エネルギー」と呼ばれるものの存在に関係しています。理論家は、暗黒エネルギーの影響は、アインシュタインの重力方程式に宇宙定数と呼ばれる項を導入することで説明できると言っています。しかし、この説明がうまくいくためには、宇宙定数は非常に具体的で小さな値でなければなりません。自然単位では、宇宙定数は 1 を 1 の後に 123 個のゼロが続く数で割った値で与えられます。この値を説明することは、今日の理論物理学が直面する最大の課題の 1 つと考えられています。
2 つ目の問題は、私たちの宇宙を形成するもう 1 つの重要な数に関連しており、銀河や銀河群などの構造の形成に関連しています。初期の宇宙は非常に滑らかでしたが、今日私たちが目にするすべての宇宙構造の種として機能する密度の小さな変動も含んでいたことがわかっています.これらの変動は、現在の観測と一致するために特定の大きさと形状を持っている必要があります。宇宙の進化の初期段階でこれらの小さなゆらぎがどのように作成されたかを理解し、その大きさと形状を説明することは、宇宙論における同様に魅力的な謎です。
宇宙論への従来のアプローチでは、これら 2 つの数値 (宇宙定数の数値と初期摂動の大きさ) は無関係であると見なされていました。結局のところ、一方は宇宙の最も初期の段階を扱っており、もう一方は非常に後期の段階を扱っており、宇宙時間で約 140 億年離れています。さらに、標準宇宙論では、基本原理からこれら 2 つの数を説明することはできません。宇宙の従来のモデルは、宇宙定数の数値についてまったく沈黙しているか、まったく不適切な値を予測しています。初期摂動の大きさに関しては、最も一般的なアプローチは、宇宙の初期段階における急速な成長の期間であるインフレーションを説明するモデルのクラスからそれを取得することです。インフレモデルの問題点は、事実上あらゆる望ましい結果を生み出すように設計できるため、予測力がまったくないことです.
娘の Hamsa Padmanabhan と、スイスのチューリッヒ工科大学の Tomalla フェローと共同で行った私の最近の研究では、これらの数字を宇宙形成 (宇宙の創造) と結び付け、それらの正確な数値を説明しています。最近 Physics Letters B に掲載された私たちの論文 、宇宙定数の存在そのものとその小さな値が、宇宙時空の情報内容の直接的な結果として理解できることを示しています。おまけとして、この分析により、初期宇宙の小さなゆらぎのサイズと形状の正しい値も導き出されます。
これらの基本的な定数の驚くべき合流点は、宇宙の理解にとって重要な意味を持ちます。特に、ビッグバンに関する私たちの理解を書き換え、宇宙の初期段階におけるインフレーションの必要性を取り除きます。
ビッグバンは、おそらく標準宇宙論の最も有名な特徴です。しかし、それは望ましくないものでもあります。これは、アインシュタインの方程式で記述された宇宙の古典モデルが、無限の密度と温度、または物理学者が特異点と呼ぶものを含むビッグバンの条件で崩壊するためです。
しかし、もし特異点がなかったら？ 1960 年代以来、物理学者は、重力理論と量子理論を量子重力と呼ばれるものに統合しようとすることで、ビッグバンのない宇宙の説明に取り組んできました。物理学者のジョン・ウィーラーとブライス・デウィットは、空間と時間の概念がまだ未知の構造からまだ出現していない宇宙の仮説的な幾何学以前の段階にこれらのアイデアを適用した最初の人でした.これは、物理学者が宇宙の単純な玩具モデルのダイナミクスを量子言語で記述しようとした量子宇宙論の研究の先駆けとなった.言うまでもなく、数十年にわたって、幾何学以前の段階を説明するためのいくつかの異なる、しかし関連するアイデアが急増しました。これらのモデルの統一的なテーマは、古典宇宙は、幾何学以前の段階からアインシュタインの方程式によって時空が記述される段階への移行を通じて、特異点なしに発生するということです。そのような記述を構築する上での主な困難は、量子重力の完全な理論を持っていないことです.
この技術的な困難を回避するのに役立つ、私たちが導入した重要な新しい要素は、宇宙情報の概念です。情報が物理学の記述において重要な役割を果たすべきであるという考えは、最近かなりの支持を得ています。この概念は、たとえば量子ブラック ホールの研究のように、量子論と重力の原理を組み合わせようとするときに、いくつかの状況で発生します。これらのモデルのいくつかにはホログラフィーの興味深い概念もあり、バルク領域の情報コンテンツがその境界の情報コンテンツに関連している可能性があることを示唆しています。しかし、残念なことに、情報の数学的記述は文脈によって異なることが判明しており、すべての場合に適用できる統一原理はまだ見つかっていません。したがって、情報の概念を宇宙全体に適用するには、まず物理的に適切な情報の定義を考え出す必要があります。
私たちが使用した宇宙情報の定義は、アナロジーで最もよく説明できます。氷が溶けて水になると、固相から液相への移行が起こります。相転移の実際のダイナミクスは非常に複雑になる可能性がありますが、氷中の原子の総数は水中の原子の総数と同じになります。この数値は、システムの自由度の数を表し、相転移中に変化しません。同様に、宇宙の誕生につながった相転移は、幾何学以前の相の自由度と古典的時空の自由度を結び付ける数によって記述できます。 「CosmIn」と呼ばれるこの数を使用して、完全な量子重力モデルの複雑さを回避して、宇宙の 2 つのフェーズを接続できます。
CosmIn は物理的に観測可能な数であるため、有限でなければなりません。実際、特異点がない場合、すべての物理量は有限であると予想されます。さらに、宇宙が後期に膨張の加速段階を経る場合にのみ、CosmIn が有限になることを実証できました。これは、今日観察されているとおりです。この関係は、宇宙定数の存在の基本的な理由を示唆するだけでなく、CosmIn の値がわかれば、その数値を計算する手段も示唆します。
宇宙の幾何学前段階または量子重力段階におけるCosmInの値は、量子重力のいくつかのモデルによって繰り返し提案された結果を使用して決定できます。量子重力フェーズから古典フェーズに転送される全情報は、単純な数:4π、単位半径の球の面積に等しくなければならないことが判明しました。これは、単位半径の球の単位表面積あたり 1 単位の情報に相当します。この事実を利用して、宇宙定数の数値を、宇宙が量子重力相から古典相に遷移したエネルギー スケールに関連付けることができます。
次に、この遷移エネルギー スケールは、私たちの宇宙の 2 番目の不可解な特徴に関連している可能性があります。それは、今日私たちが見ている銀河や銀河団を形成するために成長した初期宇宙の小さな量子ゆらぎの大きさです。これらの変動の大きさを計算するための一般的な手順は、宇宙のインフレーション モデルを使用することです。このモデルでは、初期の宇宙は巨大かつ急速にサイズが拡大していると説明されています。しかし、インフレモデルにはあらゆる形と大きさがあり、この振幅に対してあらゆる価値を生み出すように設計することができます。また、原始変動の形状が 1970 年にエドワード ロバート ハリソンによって (そしてヤコフ B. ゼルドビッチによって独立して) 取得され、ハリソン-ゼルドビッチ スペクトルと呼ばれていることにも何の価値もありません。多くの人が評価も強調もしていないのは、ハリソンがインフレモデルが発明される 10 年以上も前に彼の結果を導き出したということです!
私たちのモデルにより、宇宙定数の数値と原始ゆらぎの大きさの両方を、幾何学以前の宇宙が相転移を経て私たち全員が住む古典的な宇宙になったときのエネルギースケールに関連付けることができます。 . 驚いたことに、適切なエネルギー スケールを選択すると、これらの両方の量について正しい観測値が得られます。これは、次に、宇宙定数、原始ゆらぎの振幅、および CosmIn の値の間の代数関係につながります。宇宙論的パラメーターの観測値を使用して、この関係を好転させ、CosmIn が実際に 4π であるかどうかをテストできます。理論は飛行色でテストに合格します。観測から決定された CosmIn は、1,000 分の 1 の精度で 4π に等しいことがわかります。
相互に無関係と考えられている宇宙パラメータの複雑な組み合わせが、これほど単純な値を持つことは驚くべきことです。従来のアプローチでは、この結果をランダムな数値の一致と見なさなければなりません。一方、私たちは、それが私たちの宇宙について深く美しいものを伝えていると信じています.
私たちは、宇宙定数の数値を初期宇宙のゆらぎの大きさに関連付ける最初の試みであり、調整可能なパラメーターを持たないモデルからこれらの数値を取得し、それらをエネルギースケールに関連付ける最初の試みであると信じています古典宇宙が誕生した場所です。
これらのアイデアはすべて、量子重力のより広い枠組みの中にあります。この理論は、物理学者が 50 年近くの研究を行った後でもまだ持っていません。このモデルの強みの 1 つは、量子重力の詳細を解明する必要がないことです。しかし、それは量子重力の性質と時空の構造に関する2つの重要なヒントを提供します.まず、物質が原子でできているのと同じように、時空は微視的な自由度でできていると考えるべきだということを強く示唆しています。第二に、宇宙の起源に関する正しい理論は、幾何学以前の段階から古典的な段階への相転移を伴う可能性が非常に高いことを示唆しています。
これらのヒントは、重要な質問にも答える可能性があります。なぜ、理論家たちは何十年にもわたって研究を行ってきたにもかかわらず、重力理論と量子理論をいまだに融合していないのでしょうか?これは、別の類推で最もよく説明できると考えています。流体力学は、一連の方程式で表される自己矛盾のない物理理論として記述できることがわかっています。これらの方程式を基本的なものとして、量子論の原理を適用すると、たとえばフォノン (振動の離散量子) とそれらの相互作用の概念など、興味深い新しい現象を発見できます。しかし、そのようなアプローチでは物質の量子構造に到達することはできません。
このように、重力を記述する方程式が流体力学の方程式に似ていることを示唆する証拠があります。言い換えれば、量子論の原理を使用して重力を記述する方程式を再解釈することは、流体力学の方程式に量子原理を適用することに似ています。この方法では、時空の量子的性質を発見することはできません。これが、アインシュタインの理論を量子化するための何十年にもわたる努力が大きな失敗につながった理由であると私たちは信じています。
代わりに必要なのは、重力の性質を再検討し、それが時空の微視的な構造について何を教えてくれるかを学ぶことです。このようなアプローチは、まさに物理学者のルートヴィヒ・ボルツマンが、熱現象は物質が離散的な自由度 (つまり原子) で構成されている必要があることを理解するために使用したものです。ボルツマンは基本的に、何かが熱くなる場合、それには微視的な自由度が含まれている必要があると述べました。
時空も温度を持つことができるため、特定の観測者には熱く見えることがあります。このアイデアは、ブラック ホールの特定のコンテキストにおけるジェイコブ ベケンスタインとスティーブン ホーキングの研究を通じて最初に思いつきました。その後まもなく、70 年代半ばにビル・アンルーとポール・デイヴィスの研究により、これが時空の非常に一般的な特徴であることが示されました。ボルツマンのパラダイムと、通常の物質のように時空が熱くなり得るという事実を組み合わせると、時空は物質内の原子のように内部の自由度を持たなければならないという結論に至ります。近年、この結論を支持する理論的証拠が現れてきました。この観察は、時空の微細構造を理解する鍵を握っており、すぐに 3 つの注目すべき結果につながります。
まず、時空の領域の進化は、その領域の大部分と境界に存在する自由度 (または、同等に情報内容) の観点から説明できます。第二に、重力はゼロ レベルのエネルギーの変化の影響を受けなくなります。アインシュタインの理論では、重力はエネルギーの絶対量に反応するため、宇宙定数を計算することは実質的に不可能です。これは、情報コンテンツに基づくパラダイムには当てはまりません。第三に、情報アプローチは、宇宙の進化をアインシュタインの方程式の特定の解によって記述されるように考えるべきではないことを示唆しています。代わりに、これらの方程式は、時空の量子自由度を記述するより正確な一連の方程式から適切な極限で生じます。
CosmInモデルによって検証された情報アプローチは、点熱源を含む大きな氷の塊に類似したものとして、宇宙の鮮明な新しい画像を提供します。熱源は周囲の氷を溶かし、水の領域を作り、それが次に膨張し、局所的な熱力学的平衡に達します。相の境界に近い大きなスケールでは、氷の塊が内側から加熱されているため、分子はまだ平衡に達していません。信じられないことに、これは私たちの宇宙がどのように振る舞うかに似ています.水のある領域は、観測された宇宙 (アインシュタインの理論で説明されている) に類似しています。それは、まだ知られていない量子重力の法則によって記述される (氷に類似した) 前幾何学的相に囲まれています。ビッグバンの概念は完全に排除され、境界での 1 つのフェーズから別のフェーズへの移行に置き換えられます。また、宇宙の初期の歴史におけるインフレ期の必要性も排除されます。
フレームワーク全体は、単一のパラメーターによって記述されるため、シンプルでエレガントです。つまり、幾何学以前からアインシュタイン幾何学への初期宇宙相転移のエネルギースケールです。これは、多数のパラメーターを含み、予測力を欠く標準的なインフレ モデルとは異なります。私たちのモデルは、テストされていない物理学を使用していません。 唯一 私たちが作る仮説は、宇宙の情報量は、単位球の面積である 4π に等しいというものです。
この研究は、研究の 3 つの新しい道を開きます。まず、さまざまな量子重力モデルにおける幾何学前段階の物理学を探求するように私たちを誘います。第二に、この作品で使用されている宇宙情報の特定の概念を探求し、それを他の文脈で使用されている他の同様の情報概念と関連付けようとする機会を開きます。第三に、物質が原子でできているのと同じように、時空はより基本的な自由度でできているという概念を強化し、凝縮物質物理学で物質のさまざまな段階を探求するのと同じように、時空のさまざまな段階を研究するように私たちに挑戦します.
タヌ・パドマナーバンは、インドの天文学および天体物理学のための大学間センターの著名な教授です。 [email protected] までご連絡ください。
参考文献
1. Padmanabhan, T. &Padmanabhan, H. 宇宙情報、宇宙定数、原始摂動の振幅。 物理文字 B 773 、81-85 (2017)。
2. Padmanabhan、T.時空の原子と宇宙定数。 Journal of Physics:カンファレンス シリーズ 880 、012008 (2017).
3. Padmanabhan, T. 私たちは本当に宇宙を理解していますか? Comptes Rendus Physique 18 、275-291 (2017).
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