宇宙のインフレーション問題とその解決方法

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宇宙のインフレーションが問題になっている。宇宙の最初の1秒のほんのわずかの間に、宇宙は約10倍に膨張したと一般に考えられています。³⁰。そして、この指数関数的な成長は始まりと同じくらい早く止まりました。このアイデアが最初に提案されたのは、私たちが見ている大規模な宇宙構造、銀河、星の進化を巻き戻すと、あらゆる場所のすべてがビッグバンで始まったという結論に達するからです。インフレーションはビッグバン宇宙論のいくつかの問題を一度に解決しましたが、一部では依然として物議を醸しています。そして、非常に大きなものを支配する法則と非常に小さなものを支配する法則を結びつけようと研究している研究者にとって、おそらく現代の宇宙論における最大の問題は、何よりも大きな障害となるでしょう。

まず、良いニュースです。インフレーションは、宇宙がどのようにして非常に小さなものからはるかに大きなものになったかを説明するだけでなく、私が構造問題と呼ぶもの、つまり惑星よりも大きなものがどのように形成されたのかを説明します。インフレーションが起こる前は、宇宙は量子効果によるごくわずかな変化のみを除き、ほぼ均一であったと考えられます。インフレによってそれらの変動は吹き飛ばされ、新しい変動が導入され、重力によって物質が凝集し始め、銀河や星、そして現在私たちが宇宙で見ているすべてのものを形成するのに十分なほど重要なものになったでしょう。インフレがなければ、銀河や超銀河団のような巨大な構造はおろか、星も存在しないでしょう。

おそらく直観に反するかもしれませんが、宇宙全体が同じに見える理由もインフレーションによって説明されます。これは地平線問題と呼ばれます。反対の 2 つの方向を可能な限り遠くまで見ると、その景色は驚くほど似てきます。しかし、観測可能な宇宙の両端にある空間の 2 つの領域は、たとえ光を通してでも大きな相互作用をするには遠すぎるため、インフレーションがなければ、それらが同じである理由はありません。しかし、ビッグバン モデルにインフレーションを追加すると、宇宙のすべての領域が相互作用して平衡に達してから外側に突進するのに十分な期間にわたって一緒にいたと言えるでしょう。構造の問題と地平線の問題は表裏の関係にあります。インフレーションは、宇宙がなぜ厚いのか、そしてなぜ柔らかいのかを説明します。ビッグバン仮説には、インフレによって同様に埋められるギャップが他にもいくつかあります。簡単に言えば、宇宙がなぜそのように見えるのかを説明するのが非常に上手です。

しかし、それには批判的な意見もあり、理由がないわけではありません。まず、なぜインフレが起こるのかはよくわかりません。インフレーションを開始するには、宇宙は非常に特殊な初期条件を持たなければなりません。これは、宇宙学者がファインチューニング問題と呼ぶ問題につながります。なぜ宇宙がそのような初期条件を持つのか説明できないため、単に自然に最も適合する理論を見つけるのではなく、理論に一致するように数値を微調整しているように見え始めます。インフレ理論が微調整の問題を引き起こすかどうかについては研究者の意見が分かれているが、微調整は悪しき科学であるという点ではほぼ全員が同意している。どのような理論においても、その幽霊はあらゆる種類の物理学者を不安にさせるのに十分です。

したがって、インフレを開始するメカニズムを見つけるのは難しく、同様の理由で、インフレが始まったらそれを止めるメカニズムも同様です。もちろん、インフレにはさまざまなモデルがあり、それぞれの長所と短所の欄に証拠があります。宇宙論の他の謎を並行して考慮し始めると、事態はさらに複雑になります。

それらの最大のものは、（重力を媒介とする）非常に大きなものの物理学である一般相対性理論と、非常に小さなものの物理学である量子力学の間の関係です。これら 2 つは中間のどこかで一致して適合し、量子重力理論に統合できるはずですが、実際はそうではありません。

インフレーション時代とそれに先立つほんの一瞬は、極度に小さいものと極度に大きいものが結びついている場所であり、そこではすべてが非常に密集しているため、通常は弱い重力が異常に強力になり、すべてが非常に小さいため量子効果だらけになっている。量子重力にとって、インフレ時代は故郷と呼ぶのに最適な場所になります。

量子重力の成功したモデルは、現在の宇宙に対する相対性理論と量子力学の影響だけでなく、インフレーションがどのようにしてなぜ始まり、終わるのかも説明しなければなりません。問題について考えれば考えるほど、問題は複雑になっていきます。

インフレの解決

考えられる解決策の 1 つは、宇宙の始まりと終わりがほぼ対称であると仮定するループ量子重力から来ています。これは、宇宙が膨張し、その後収縮するだけで跳ね返るという、大きな跳ね返りのシナリオです。もう 1 つは無限のインフレーションの形で起こります。宇宙が永遠に指数関数的にインフレーションし続ける領域がある場合、インフレーションをどのように終わらせるかについて心配する必要はありません。しかし、膨張するさまざまな領域が独自の宇宙となる無限のフラクタル多元宇宙を作成することについて心配する必要があります。私たちの世界から遠く離れているため、アクセスすることはできません。これは、その特定のモデルのサポートをほぼ無効にする非常に大きな懸念です。無限の多元宇宙は多くの物理学者にとって難解です。そのような現実では、起こり得るすべてのことはどこかで起こるため、無限の多元宇宙内で行われる遠隔でもっともらしい予測は事実上証明することが不可能になるからです。

より単純なシナリオが廃止されると、ますます複雑なシナリオが出現しました。ハイブリッド・インフレーションというものがあります。これは、インフレーションの開始、減速、終了に必要なエネルギーを運ぶ、少なくとも 2 つの新しいフィールド (草地や研究フィールドとしてではなく、電磁場として) を導入します。ブレイン・インフレーションという超弦理論に由来するブレーン・インフレーションがあり、非常に複雑なので簡単に説明するのは不可能かもしれませんが、本質的には私たちの宇宙が異なる次元の間の膜の中に存在するということを提案しており、インフレーションによるあらゆる混乱を説明できる可能性があります。

また、二次重力と呼ばれるアイデアもあります。これには、一般相対性理論が破綻する傾向にある非常に高いエネルギー密度でも機能するように重力モデルを修正することが含まれます。これらの方程式に量子補正を加えると、インフレーションが起こり、宇宙が成長するにつれて、相対性理論によると考えられる動作が自然に現れます。要するに、それは量子力学の規則を満たし、一般相対性理論の原理、つまり物理学の 2 つの非常によく証明された柱と一致します。素晴らしいスタートですね。

量子二次重力の主な問題は、それが巨大な「ゴースト粒子」が見えるはずであることを示唆していることですが、これまでのところ実験では何も見つかっていません。しかし、この奇妙なアイデアに対する新しい見方を提案した最近の論文は、その理由を示唆しています。この研究結果は、宇宙がインフレーション中に指数関数的に成長するにつれて重力が強くなり、研究者らが言うところの「幽霊の封じ込め」につながったことを示している。

インフレは説明され、幽霊は滅ぼされる、これは有望なアイデアだ。量子二次重力のもう 1 つの利点は、初期の宇宙で作成された時空で横方向の波が来るはずであり、その重力波がどんなに弱かったとしても、次世代の検出器はそれらを検出できるということです。

個人的には、インフレについては今後数十年間、多少の議論の余地が残るのではないかと考えています。それがどのように起こったかを示すために必要な測定は、言葉では言い表せないほど正確です。非常に弱い重力波に加えて、太古の昔から宇宙に刻み込まれた放射線である宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) の非常に正確な測定を行う必要があります。さらに、測定値を取得した後にそれを正しく解釈することが難しいという問題もあります。私たちは以前、CMB を間違って読んだことがあります。かつて世紀の発見ともてはやされた、宇宙のインフレーションによって生み出されたとされる重力波の痕跡は、単なる銀河の塵であることが判明しました。宇宙の歴史におけるこのほぼ無限に小さな瞬間には、私たちが知っている物理学を破壊する力がありますが、同時に、私たちが住んでいる宇宙を説明するために私たちが持っている2つの最良の理論を統合する力もあります。