生命が存在する前に、構造が存在しなければなりません。私たちの宇宙は、その歴史の初期に原子核を合成しました。それらの原子核は電子を閉じ込めて原子を形成します。それらの原子は、銀河、星、惑星に凝集しました。ついに、生き物たちに故郷と呼べる場所ができました。私たちは、物理法則がそのような構造の形成を可能にすることを当然のことと考えていますが、必ずしもそうである必要はありません.
過去数十年にわたり、多くの科学者は、物理法則が少しでも異なっていれば、宇宙には複雑な構造がなかったであろうと主張してきました.並行して、宇宙論者は、私たちの宇宙が、はるかに大きな時空の領域を構成する宇宙の膨大なコレクションである多元宇宙の 1 つの構成要素にすぎない可能性があることに気付きました。他の宇宙の存在は、物理法則の明らかな微調整について魅力的な説明を提供します。これらの法則は宇宙ごとに異なります。私たちは他のどこにも住むことができないため、観察者を受け入れる宇宙に住んでいます.
天体物理学者は微調整について非常に議論してきたため、多くの人々は、私たちの宇宙が超自然的に複雑な構造に適合していることを当然のことと考えています。多元宇宙の懐疑論者でさえ、微調整を受け入れます。彼らは単に、それには別の説明が必要だと考えています。しかし実際には、微調整が厳密に実証されたことはありません。天体物理学的構造の発達にどのような物理法則が必要で、それが生命の発達に必要なのか、私たちはよくわかっていません。星の進化、天体核物理学、構造形成に関する最近の研究は、微調整の必要性が以前に考えられていたほど魅力的ではないことを示唆しています。多種多様な可能性のある宇宙が生命を支えることができます。私たちの宇宙は、見かけほど特別なものではありません。
微調整の最初のタイプは、作業中の星の自然の基本的な力の強さを含みます。電磁気力が強すぎると、陽子の電気的反発によって恒星コアの核融合が停止し、恒星は輝けなくなります。電磁気が弱すぎると、核反応が制御不能になり、星が壮大な爆発を起こします。重力が強すぎると、星は崩壊してブラック ホールになるか、まったく点火しません。
しかし、よく調べてみると、星は非常に堅牢です。電気力の強さは、恒星の運用が損なわれる前に、どちらの方向にもほぼ 100 倍変化する可能性があります。重力は 100,000 倍強くなければなりません。逆の方向に行くと、重力は 10 億分の 1 に弱くなる可能性があり、それでも恒星が機能する可能性があります。重力と電磁力の許容強度は、核反応速度に依存し、核反応速度は核力の強度に依存します。反応速度が速ければ、星は重力と電磁気力のさらに広い範囲で機能する可能性があります。核反応が遅くなると、範囲が狭くなります。
これらの最小限の運用要件に加えて、スターは許容される力の強さをさらに制限する他の多くの制約を満たす必要があります。彼らは暑いに違いない。星の表面温度は、生命に必要な化学反応を起こすのに十分なほど高くなければなりません。私たちの宇宙では、ほとんどの星の周りに、惑星が生物学をサポートするのに十分な温度 (約 300 ケルビン) である十分な領域があります。電磁気力がより強い宇宙では、星はより低温であり、星をあまり歓迎しません。
星も長寿でなければなりません。複雑な生命体の進化は、膨大な時間をかけて行われます。生命は化学反応の複雑な組み合わせによって駆動されるため、生物進化の基本的な時計は原子の時間スケールによって設定されます。他の宇宙では、これらの原子時計は電磁気の強さに応じて異なる速度で時を刻むため、この変動を考慮に入れる必要があります。力が弱くなると、星は核燃料をより速く燃焼し、寿命が短くなります。
最後に、星はそもそも形成できなければなりません。銀河やその後の恒星が原始ガスから凝縮するためには、ガスがエネルギーを失って冷却できなければなりません。冷却速度は、（やはり）電磁気の強さに依存します。この力が弱すぎると、ガスは十分に速く冷却できず、銀河に凝縮する代わりに拡散したままになります。また、星はホスト銀河よりも小さくなければなりません。そうしないと、星の形成に問題が生じます。これらの効果は、電磁気の強度に別の下限を設定します.
すべてをまとめると、基本的な力の強さは数桁変化する可能性があり、それでも惑星と星がすべての制約を満たすことができます (下の図に示すように)。力は、多くの科学者が考えているほど微調整されていません.
可能な微調整の 2 番目の例は、炭素生産のコンテキストで発生します。適度に大きな星が中心核の水素をヘリウムに融合した後、ヘリウム自体が燃料になります。複雑な一連の反応により、ヘリウムは炭素と酸素に燃焼されます。核物理学における重要な役割のため、ヘリウム原子核にはアルファ粒子という特別な名前が付けられています。最も一般的な原子核は、1 個、3 個、4 個、および 5 個のアルファ粒子で構成されています。 2 つのアルファ粒子ベリリウム 8 を含む原子核が存在しないことは明らかですが、これには正当な理由があります。この原子核は宇宙では不安定です。
ベリリウムの不安定性は、炭素の生成に深刻な障害をもたらします。星がヘリウム原子核を融合してベリリウムになると、ベリリウム原子核はすぐに元の構成要素に崩壊します。いつでも、星のコアはベリリウムの小さいが一時的な人口を維持します。これらのまれなベリリウム核は、ヘリウムと相互作用して炭素を生成することができます。このプロセスには最終的に 3 つのヘリウム原子核が関与するため、トリプルアルファ反応と呼ばれます。しかし、反応は遅すぎて、私たちの宇宙で観測された量の炭素を生成できません.
この矛盾を解決するために、物理学者のフレッド・ホイルは 1953 年に、炭素原子核は特定のエネルギーで共鳴状態を持たなければならないと予測しました。この共鳴により、炭素生成の反応速度は、そうでない場合よりもはるかに大きくなり、宇宙で見つかった炭素の量を説明するのに十分な大きさです。共鳴は、後で実験室で予測されたエネルギーレベルで測定されました.
懸念されるのは、他の宇宙では、力の強さが交互に変わるため、この共鳴のエネルギーが異なる可能性があり、星が十分な炭素を生成できないことです。エネルギー レベルが約 4% 以上変化すると、炭素の生成が損なわれます。この問題は、トリプル アルファ微調整問題と呼ばれることもあります。
幸いなことに、この問題には簡単な解決策があります。核物理学が何を奪うか、それはまた与えます。炭素共鳴を中和するのに十分なだけ核物理学が変化したと仮定します。この大きさの変化の可能性のうち、約半分はベリリウムを安定化させる副作用があるため、共振の損失は無関係になります。そのような代替宇宙では、炭素はアルファ粒子を一度に 1 つずつ追加するというより論理的な方法で生成されます。ヘリウムはベリリウムに融合し、追加のアルファ粒子と反応して炭素を生成する可能性があります。結局、微調整の問題はありません。
潜在的な微調整の 3 番目の例は、2 つの粒子で構成される最も単純な原子核に関するものです。1 つの陽子と 1 つの中性子を含む重水素原子核です。 2つの陽子からなる二陽子; 2つの中性子からなるダイニュートロン。私たちの宇宙では、重水素だけが安定しています。ヘリウムの生成は、最初に 2 つの陽子を重水素に結合することによって行われます。
強い核力がもっと強かったら、二陽子は安定していたかもしれません。この場合、星は陽子が結合して二陽子になり、最終的に他のヘリウム同位体になる、最も単純で最速の核反応を通じてエネルギーを生成した可能性があります。星は破滅的な速度で核燃料を使い果たし、寿命が短すぎて生物圏を維持できないと主張されることがあります。逆に、強い力が弱かった場合、重水素は不安定になり、重元素への経路上の通常の踏み台が利用できなくなります。多くの科学者は、安定した重水素が存在しないと、重元素がまったくない宇宙になり、そのような宇宙には複雑さと生命がなくなると推測しています。
結局のところ、星は非常に安定した存在です。それらの構造は自動的に調整され、自身の重力による衝突に対抗するのに必要な正確な速度で核燃料を燃焼させます。核反応速度が速ければ、恒星はより低い中心温度で核燃料を燃やしますが、それ以外の場合はそれほど変わらないでしょう。実際、私たちの宇宙には、この種の行動の例があります。重水素原子核は、強い力の作用によって陽子と結合してヘリウム原子核を形成することができます。その発生確率を数値化したこの反応の断面積は、通常の水素核融合の1000兆倍にもなります。それにもかかわらず、私たちの宇宙の星は比較的平穏な方法で重水素を燃やしています。通常の状態で水素を燃焼させるのに必要な温度は 1500 万ケルビンですが、恒星の核の動作温度は 100 万ケルビンです。これらの重水素燃焼星は中心が低温で、太陽よりもやや大きいですが、それ以外は目立たない.
同様に、もし強い核力が弱ければ、恒星は安定した重水素がなくても活動し続けることができます。多くの異なるプロセスが、星がエネルギーを生成し、重元素を合成できる経路を提供します。人生の最初の段階で、星はゆっくりと収縮し、中心核が熱くなり、密度が高くなり、太陽の出力で輝きます。私たちの宇宙の星は、最終的には核融合を起こすのに十分なほど熱く高密度になりますが、別の宇宙では、この収縮段階を継続し、重力位置エネルギーを失うことによって電力を生成することができます.最も寿命の長い星は、太陽にほぼ匹敵する出力で最大 10 億年もの間、おそらく生物学的進化が起こるのに十分な長さで輝くことができます。
十分に重い星の場合、収縮は加速し、壊滅的な崩壊になります。これらの星体は基本的に超新星になります。それらの中心温度と密度は、核反応が発火するほど大きな値にまで増加します。これらの星の死の苦しみの中で、多くの種類の核反応が起こるでしょう。この爆発的な元素合成のプロセスは、重水素が不足しているにもかかわらず、宇宙に重い原子核を供給することができます。
そのような宇宙が微量の重元素を生成すると、後の世代の星には核燃焼のさらに別のオプションがあります.炭素-窒素-酸素サイクルと呼ばれるこのプロセスは、中間状態として重水素を必要としません。代わりに、炭素はヘリウムの生成を促す触媒として機能します。このサイクルは太陽の内部で動作し、その全電力のごく一部を提供します。安定した重水素が存在しない場合、炭素-窒素-酸素サイクルがエネルギー生成を支配します。そして、これは原子力発電の選択肢を尽くすものではありません。星はまた、炭素生成の三重アルファ過程にほぼ類似した三重核子過程を通じてヘリウムを生成することができます。このように、恒星は別の宇宙でエネルギーと複雑な原子核の両方を提供するための多くのチャネルを持っています。
微調整の 4 番目の例は、銀河やその他の大規模構造の形成に関するものです。それらは、宇宙時間の最も初期の瞬間に生成された小さな密度の変動によってシードされました。宇宙が十分に冷えた後、これらのゆらぎは重力の下でより強くなり始め、密度の高い領域は最終的に銀河と銀河団になります。変動はQで表される小さな振幅で始まりました 、0.00001 に等しい。このように、太古の宇宙は信じられないほど滑らかでした。最も密度の高い領域と最も希薄な領域の密度、温度、圧力は、100,000 分の数パーセント以内で同じでした。 Qの値 宇宙における微調整の別の可能な例を表します.
Qの場合 もしもっと低かったなら、ゆらぎが宇宙構造になるのに十分なほど強くなるのに時間がかかり、銀河の密度は低くなったでしょう。銀河の密度が低すぎると、銀河内のガスが冷却できなくなります。銀河円盤に凝縮したり、合体して星になったりすることは決してないかもしれません。低密度の銀河は、生命にとって実行可能な生息地ではありません。さらに悪いことに、十分に長い遅延により、銀河の形成がまったく妨げられた可能性があります。約 40 億年前から、宇宙の膨張が加速し始め、凝集するよりも速く物質を引き離し始めました。このペースの変化は通常、神秘的な暗黒エネルギーに起因すると考えられています。 Qの場合 小さすぎると、銀河が崩壊するのに非常に長い時間がかかり、構造形成が完了する前に加速が開始され、それ以上の成長が抑制された可能性があります。宇宙は複雑さを欠き、生命を失ったかもしれません。この宿命を避けるために、Qの値は 10 倍以上小さくすることはできません。
Qの場合 もっと大きかった？銀河はもっと早く形成され、最終的に密度が高くなったでしょう。それもまた、居住性の見通しに危険をもたらしたでしょう。星は互いにもっと近くにあり、より頻繁に相互作用していたでしょう。そうすることで、彼らは惑星を軌道から剥ぎ取り、深宇宙に急いで送ることができた.さらに、星同士がより近くなるため、夜空はより明るくなり、おそらく昼と同じくらい明るくなります。恒星の背景が濃すぎると、結合された星の光が他の適切な惑星の海を沸騰させる可能性があります.
この場合、微調整引数はそれほど制約的ではありません。銀河の中心部は、すべての惑星が居住不可能になるほどの強いバックグラウンド放射を実際に生成する可能性があります。しかし、銀河の周辺は、居住可能な惑星が生き残るのに十分なほど低い密度を常に持っています。 Qの場合でも、銀河の不動産のかなりの部分が実行可能なままです 私たちの宇宙の数千倍の大きさです。場合によっては、銀河はさらに親切かもしれません。銀河の大部分で、夜空は、地球で日中に見える太陽の光と同じ明るさを持っている可能性があります。惑星は、自身の太陽からだけでなく、背景の星の集合体全体から生命を与えるエネルギーを受け取ります。それらは、ほぼすべての軌道に存在する可能性があります。私たちの宇宙よりも密度の変動が大きい別の宇宙では、冥王星でさえマイアミと同じくらい多くの日光を浴びるでしょう。その結果、適度に密度の高い銀河には、天の川銀河よりも居住可能な惑星が多くなる可能性があります。
要するに、私たちの宇宙のパラメータは、大きな要因によって変化した可能性があります.重力は 1,000 倍強かったり、10 億倍弱かったりする可能性があり、恒星は長寿命の核燃焼エンジンとして引き続き機能します。電磁力は 100 倍も強くなったり弱くなったりする可能性があります。核反応速度は桁違いに変化した可能性があります。別の恒星物理学は、惑星と人間の基本的な原材料を構成する重元素を生成した可能性があります。明らかに、恒星の構造と進化を決定するパラメータは過度に微調整されていません.
私たちの宇宙が特に微調整されていないように見えることを考えると、私たちの宇宙は生命が発達するのに最適な宇宙であると言えますか?私たちの現在の理解は、答えがノーであることを示唆しています。より生命に優しく、おそらくより論理的な宇宙を容易に思い描くことができます。初期密度のゆらぎがより強い宇宙は、より密度の高い銀河を形成し、私たちの惑星よりも居住可能な惑星をサポートする可能性があります。安定したベリリウムを含む宇宙では、炭素生成に利用できる単純なチャネルがあり、複雑なトリプル アルファ プロセスは必要ありません。これらの問題はまだ調査中ですが、宇宙には複雑さと生物学の発達のための多くの経路があり、一部は私たち自身よりも生命にとってさらに有利である可能性があるとすでに言えます.これらの一般化に照らして、天体物理学者は、私たちの宇宙における微調整の程度を含め、多元宇宙の考えられる意味を再検討する必要があります.
Fred Adams は、ミシガン大学アナーバー校の物理学教授です。彼は、アメリカ天文学会からヘレン B. ワーナー賞、全米科学財団の若手研究者賞、およびミシガン大学から数多くの教育賞を受賞しています。彼はの共著者です 宇宙の 5 つの時代:永遠の物理学の内部 と 存在の起源:どのように生命が宇宙に出現したか.
この記事は最初に公開されました 2017 年 1 月の Nautilus Cosmos。
