宇宙論者として、講義の後に最もよく耳にする質問には次のようなものがあります。私たちの宇宙は何に膨張していますか？私たちの宇宙は永遠に膨張しますか？これらは当然の質問です。しかし、ここにはさらに深い問題が潜んでいます。基本的に、私たちが本当に知りたいのは、私たちの知識に境界はありますか?科学に根本的な限界はありますか?
答えはもちろん、事前にわからないということです。知識に限界があるかどうかは、それを乗り越えようとしない限りわかりません。現時点では、その兆候はありません。私たちは障害に直面しているかもしれませんが、それらはすべて一時的なものであることを示しています。 「宇宙がどのように始まったかは決してわからないだろう」と私に言う人もいます。 「ビッグバンの前に何が起こったのかを知ることはできません。」これらの陳述は、私たちが知ることができないすべてのものの場所を前もって知ることができることを示唆することによって、驚くべきうぬぼれを示しています.これは根拠がないだけでなく、これまでの科学の歴史はそのような限界を示していません。そして、私自身の分野である宇宙論では、私たちの知識は 50 年前には誰も予測できなかったほど増加しています。
これは、自然が私たちが観察できるものと観察方法に制限を課していないということではありません。たとえば、ハイゼンベルグの不確定性原理は、粒子の動きについていつでも知ることができることを制限し、光の速度は、特定の間隔で見たり移動したりできる距離を制限します。しかし、これらの制限は、最終的に学べないことではなく、観察できないことを教えてくれるだけです。不確定性原理は、量子力学のルールを学習したり、原子の挙動を理解したり、直接目にすることのできないいわゆる仮想粒子が存在することを発見したりする妨げにはなりませんでした。
宇宙が膨張しているという観察は、始まりを暗示しています。なぜなら、逆方向に外挿すると、遠い過去のある時点で、観測可能な宇宙のすべてが単一の点に配置されていたからです。現在ビッグバンと呼ばれているその瞬間、重力を説明する一般相対性理論は、微視的な長さスケールで物理学を説明する量子力学とうまく統合できないため、私たちが知っている物理法則は崩壊します。しかし、ほとんどの科学者は、これを知識の基本的な境界とは見なしていません。一般相対性理論は、一貫した量子論の一部として修正する必要があると予想しているためです。ひも理論は、そのための主要な進行中の取り組みの 1 つです。
このような理論があれば、ビッグバンの前に何があったのかという疑問に答えることができるかもしれません.最も単純な答えは、おそらく最も満足のいくものではありません。特殊相対性理論と一般相対性理論はどちらも、空間と時間を 1 つの実体、時空に結び付けます。宇宙がビッグバンで作られたのなら、おそらく時間も同様でした。その場合、「前」はありませんでした。それは単に良い質問ではありません。ただし、これが唯一の可能な答えではありません。応答に自信を持たせるには、量子重力理論とその実験的確認を待つ必要があります.
それから、私たち自身の宇宙の向こうにあるものを空間的に知ることができるかどうかという問題があります.私たちの宇宙の境界は何ですか？繰り返しますが、推測を危険にさらす可能性があります。私たちの時空が自然発生的に生じた場合、それは前回の著書 無からの宇宙 で詳細に論じたとおりです。 、最も可能性が高いと思われます—その場合、おそらく総エネルギーはゼロです。物質によって表されるエネルギーは、重力場によって表されるエネルギーによって正確に相殺されます。簡単に言えば、何かが無になると、無から何かが生まれます。現在、全エネルギーがゼロであると確認できる唯一の宇宙は、閉じた宇宙です。そのような宇宙は有限ですが、無限です。境界に遭遇することなく永遠に球体の表面を動き回ることができるのと同じように、同じことが私たちの宇宙にも当てはまるかもしれません.ある方向をよく見ると、後頭部が見えます。
おそらく、私たちの目に見える宇宙ははるかに大きな体積の一部にすぎないためです.その理由は、インフレと呼ばれるものに関係しています。微視的なサイズで自発的に発生するほとんどの宇宙は、何十億年も耐えるのではなく、微視的な時間で再び崩壊します。しかし、一部では、空の空間にエネルギーが与えられ、それによって宇宙が少なくとも短期間、指数関数的に急速に膨張する.このようなインフレーションの期間は、ビッグバン膨張の初期の瞬間に発生し、宇宙がすぐに再崩壊するのを防いだと考えています.その過程で、宇宙は非常に大きくなり、すべての意図と目的のために、今では平らで無限に見えるようになりました.カンザス州のトウモロコシ畑は、私たちが地球と呼ぶ巨大な球体に位置しているにもかかわらず、無限に見えます. .これが、宇宙が最大のスケールで閉じている場合でも、宇宙を見上げたときに後頭部が見えない理由です。しかし原則として、私たちが目に見える宇宙でインフレーションが再開しておらず、私たちが観察できない宇宙の他の場所で起こっていない限り、十分に長く待っていれば全体を見ることができました.
私たちがまだ観察できない、または決して観察できない可能性のある領域が膨張している可能性については、実際、現在の理論では、これが最も可能性の高い可能性であることが示唆されています。 「私たちの宇宙」という言葉を、私たちがかつて交信できた、またはいつか交信する可能性のある空間の領域を指すと考えると、インフレーションは通常、私たちの宇宙を超えた別の宇宙を生み出します。インフレは私たちの宇宙空間内では短期間だったかもしれませんが、残りの宇宙は永遠に指数関数的に膨張し、私たちのような孤立した地域は時々膨張から切り離されます.氷点下。そのような各宇宙には始まりがあり、その空間体積内でインフレーションが終了した時点に固定されていました。この場合、私たちの宇宙の始まりは時間そのものの始まりではなかった可能性があります。これは、ビッグバンが私たちの知識の究極の限界を表しているかどうかを疑うさらなる理由です.
各宇宙を背景空間から切り離すプロセスに応じて、物理法則は各宇宙で異なる場合があります。この可能性のある宇宙の集まりを「マルチバース」と呼ぶようになりました。多元宇宙のアイデアが科学界で注目を集めているのは、それがインフレーションのような現象に動機付けられているからだけでなく、それぞれが独自の物理法則を持つ多くの異なる宇宙の可能性が、私たちのさまざまな一見説明のつかない基本的なパラメーターを説明する可能性があるためでもあります。宇宙。これらのパラメータは、私たちの宇宙が生まれたときにランダムに発生した値にすぎません.
他の宇宙がそこにある場合、それらは私たちの宇宙から巨大な距離で隔てられており、超軽量の相対速度で後退しているため、それらを直接検出することはできません.マルチバースは単なる形而上学ですか？したがって、多元宇宙の存在の可能性を検証することは、私たちの知識の根本的な境界を表すのでしょうか?答えは、必ずしもそうではありません。別の宇宙を直接見ることは決してないかもしれませんが、経験的にそれを生み出した可能性のある理論をテストすることはできます。たとえば、インフレーションが生み出す重力波を観察することによってです。これにより、原則として、私たちの宇宙をもたらしたインフレプロセスの詳細な性質をテストすることができます.これらの波は、最近 LIGO によって発見された重力波に似ていますが、起源が異なります。それらは、遠方の銀河での大規模なブラックホールの衝突などの大変動的な出来事からではなく、インフレーションの推定期間中のビッグバンの初期の瞬間から発生します。それらを直接検出できれば、ビッグバンから残った宇宙マイクロ波背景放射にそれらが残すサインを探しているさまざまな実験でできるようになるかもしれませんが、インフレーションの物理学を調べることができます。次に、永久インフレーションがこの物理学の結果であるかどうかを判断します。したがって、直接検出できなくても、他の宇宙が存在する必要があるかどうかを間接的にテストできます。
要するに、非常に深い形而上学的な問題でさえ、他の宇宙の存在の可能性を含め、以前は経験的に対処できないと想像されていたかもしれませんが、私たちが十分に賢ければ、実際にはアクセスできる可能性があることを発見しました.理性を実験的観察と組み合わせて適用することから学べることの限界はまだわかっていません.
限りのない宇宙は魅力的で、私たちを探求し続けさせてくれます。しかし、私たちの知識に制限がなくなると確信できますか?そうではありません。
インフレは、知識、特に過去の知識に根本的な制限を課します。それは本質的に宇宙をリセットし、それ以前の動的プロセスに関するすべての情報を破壊する可能性があります.インフレーション中のスペースの急速な拡大により、どのリージョンのコンテンツも大幅に希釈されます。そのため、たとえば磁気単極子の痕跡が一掃された可能性があります。これは、理論が非常に初期の宇宙で大量に生成されたことを示唆する一種の粒子です。これは、インフレーションの元々の美徳の 1 つでした。これは、そのような粒子を一度も見たことがないという事実と、その生成の予測を一致させました。しかし、矛盾を解消するために、インフレは私たちの過去の側面を消し去りました.
さらに悪いことに、消去が完了していない可能性があります。私たちはどうやら現在、別のインフレ期に生きているようです。遠く離れた銀河の後退の測定結果は、支配的な重力エネルギーが空の空間ではなく、物質または放射に存在する場合と同様に、宇宙の膨張が減速するのではなく、現在加速していることを示しています。私たちは現在、このエネルギーの起源を理解していません。考えられる説明のそれぞれは、知識の進歩、さらには私たちの存在そのものに対する根本的な限界を示唆しています。
宇宙がある種の相転移、つまり蒸気が凝縮して液体の水になる宇宙バージョンを経ると、空の空間のエネルギーが突然消える可能性があります。もしそうなら、基本的な力の性質が変化し、宇宙で目にするすべての構造が、原子から始まり、不安定になるか、消滅する可能性があります.私たちは他のすべてと一緒に消えてしまいます.
しかし、拡大が続いたとしても、将来は依然としてかなり暗いものです。人間のスケールでは長い時間のように見えるかもしれませんが、宇宙のスケールではそれほど長くはありません.約2兆年以内に、宇宙の残りの部分は私たちの視界から消えます.この遠い未来に恒星の周りの惑星で進化した観察者は、加速の兆候や以前のビッグバンの証拠さえない、永遠の空の空間に囲まれた単一の銀河に住んでいると想像するでしょう.私たちがモノポールを見失ったのと同じように、彼らは私たちがすぐに目にする歴史に対して盲目になるでしょう. (確かに、彼らは私たちがまだアクセスできていない観測可能な現象にアクセスできるかもしれないので、あまり優越感を感じる必要はありません。)
いずれにせよ、私たちは太陽の下での短い時間を楽しみ、できることをできるうちに学ばなければなりません。大学院生の皆さん、もっとがんばってください!
ローレンス M. クラウスは、理論物理学者であり宇宙論者でもあり、オリジンズ プロジェクトのディレクターであり、アリゾナ州立大学地球宇宙探査学部の基礎教授でもあります。彼はまた、ベストセラーの本の著者でもあります。 無からの宇宙 そして スタートレックの物理学.
この記事は、もともと 2016 年 9 月の「学習」号に掲載されたものです。
