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宇宙はどのようにして生まれたのか? 異なる7つの理論

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本記事は、Origin Of The Universe: 7 Different Theories
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約7分23秒

私たちが知っている宇宙は、どのようにして生まれたのでしょうか? その起源をどう説明すればいいのでしょうか? 宇宙論研究者が長年かけて収集した他のあらゆる証拠やデータは、明らかに、すべてが「ビッグバン【爆発的膨張】」で始まったかもしれないという可能性を指し示しています。しかし、もしそれ以上のものがあるとしたらどうなのでしょう?

 

1927年、ベルギーの天文学者ジョルジュ・ルメートルは、宇宙が膨張しているという理論を初めて提唱しました(後にエドウィン・ハッブルによって確認された)。彼は、膨張する宇宙は、過去にさかのぼって「原始的原子」と呼ばれる特異点にまで遡ることができると理論化したのです。これは現代のビッグバン理論の基礎を築きました。

 

ビッグバン理論とは何か? 簡単な紹介

ビッグバン理論とは、宇宙がいつ、どのように誕生したかを、主に数学的モデルに基づいて説明したものです。

 

ビッグバン理論で説明される宇宙の宇宙論的モデルは、宇宙が初めに、原初(または重力)特異点と呼ばれる無限の密度と温度の状態から膨張したことを説明しています。その後、宇宙膨張が起こり、温度が大幅に低下しました。このとき、宇宙は光速をはるかに超える速さ(1026分の1)で膨張しました。

 

その後、宇宙は再加熱され、素粒子(クォーク、レプトンなど)が出現した後、温度(密度)が徐々に低下し、最初の陽子と中性子が形成されました。

 

膨張の数分後には、陽子と中性子が結合して、原始の水素とヘリウム4原子核が形成されます。この時、観測可能な宇宙の半径は300光年と推定されます。最古の星や銀河は、この現象から約4億年後に出現しました。

 

ビッグバンモデルを構成する重要な要素は、宇宙が誕生して間もない頃の電磁波である宇宙マイクロ波背景放射(CMB)です。CMBは、ビッグバンの最も決定的な証拠です。

 

ビッグバン理論は科学的に広く受け入れられていますが、定常宇宙や永久インフレーションなど、いくつかの代替説が長年にわたって注目されています。

 

この記事では、宇宙の起源を説明するビッグバンの代表的な代替説を7つ紹介します。

 

7. 永久インフレーション理論

 

インフレーションという概念は、1979年に宇宙論研究者のアラン・グースが、当初のビッグバン理論に欠けていた、宇宙が平坦である理由を説明するために導入したものです。

 

グースはインフレーションという考え方で平坦な宇宙を説明しましたが、その一方で、宇宙がインフレーションから逃れられないというシナリオを作りました。もしそうであれば、宇宙の再加熱は行われなかったでしょうし、星や銀河の形成も行われなかったことになります。

 

この問題は、アンドレアス・アルブレヒトとポール・スタインハートによる「新インフレーション」で解決されました。彼らは、宇宙の急激なインフレーションは、ほんの数秒起きてから止まると主張しました。これは、宇宙が急速なインフレーションを経ても、結局は加熱されることを実証したのです。

 

「永久インフレーション」という概念、あるいはカオス的インフレーション理論は、スタンフォード大学のアンドレイ・リンデ教授によって紹介されました。これは、スタインハートとアレキサンダー・ビレンキンの先行研究に基づいています。

 

この理論は、宇宙のインフレーション期は永遠に続き、宇宙全体が終わったわけではないと主張します。言い換えれば、宇宙のある部分ではインフレーションが続いており、他の部分では止まっているということです。そうすると、宇宙がバブルに分かれるという多元的宇宙のシナリオになります。宇宙の中に宇宙があるようなものです。

 

多元的宇宙では、異なる宇宙で異なる自然法則、物理法則が働いている可能性があります。つまり、私たちの宇宙は、膨張する単一の宇宙ではなく、様々な性質を持つ小さな宇宙が多数存在するインフレーション多元的宇宙なのかもしれません。

 

しかし、ポール・スタインハートは、彼の「新インフレーション」理論は何も導かないし予測もできないと考え、多元的宇宙という考え方は「致命的な欠陥」であり不自然であると主張しています。

 

6. 共形サイクリック・モデル

 

共形サイクリック宇宙論(CCC)モデルは、宇宙がビッグバンとそれに続く膨張のサイクルを繰り返していると推測しています。一般的な考え方は、「ビッグバン」は宇宙の始まりではなく、むしろ移行期であるとするもので、理論物理学者で数学者のロジャー・ペンローズによって提唱されました。

 

ペンローズは、このモデルの基礎として、複数のFLRW(フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー)計量列を用いました。彼は、あるFLRW列の共形境界を別のFLRW列の境界とくっつけることができると主張しました。

 

FLRW計量は、宇宙の性質に最も近い近似値であり、ラムダ-CDM【ラムダ冷暗物質】モデルの一部です。ビッグバンから始まり、インフレーション、そして膨張という一連の流れがあります。

 

宇宙が不定のサイクルで何度も繰り返されるという循環モデルまたは振動モデルは、1930年代にアルバート・アインシュタインが「永遠に続く」宇宙というアイデアを研究したときに初めて脚光を浴びました。アインシュタインは、宇宙はある地点に達すると崩壊を始め、ビッグバウンスを経てビッグクランチによって終わると考えました。

 

現在、宇宙の循環モデルには4つのバリエーションがあり、共形サイクリック宇宙論はそのうちの一つです。

 

5. ブラックホールの蜃気楼

 

2013年に行われた研究グループの研究では、私たちの宇宙は、崩壊した4次元星やブラックホールから吐き出された破片が起源である可能性が推測されています。

 

この研究に関連する宇宙論研究者によると、ビッグバン理論の限界の1つは、宇宙に見られる温度平衡を説明することだということです。

 

多くの科学者が、温度が均一な小さなパッチが急速に膨張して今日観測されている宇宙になることについて、インフレーション理論が適切な説明を与えることに同意しているものの、このグループは、ビッグバンのカオス的性質のためにそれがあり得ないことを発見しました。

 

この問題を解決するために研究チームが提案したのは、私たちの3次元の宇宙は膜であり、4次元の「バルク宇宙」の中に浮いているという宇宙モデルです。4次元の「バルク宇宙」に4次元の星があれば、それが崩壊して4次元のブラックホールになる可能性が高いと主張したのです。この4次元のブラックホールには、3次元の事象の地平線があり(3次元のブラックホールには2次元の事象の地平線があるように)、それを「ハイパースフィア」と名付けました。

 

研究チームが4次元の星の崩壊をシミュレーションしたところ、死にゆく星から放出される破片が、その3次元の事象の地平線の周りに3次元の膜を形成する可能性があることを発見しました。私たちの宇宙もそのような膜の一つかもしれません。

 

宇宙の「4次元ブラックホール」モデルは、宇宙全体の温度がほぼ一様であることを説明することができます。また、宇宙が誕生してから数秒後にインフレーションを起こした原因について、貴重な洞察を与えてくれるかもしれません。しかしながら、ESA【欧州宇宙機関】のプランク衛星による最近の観測で、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)温度にわずかな変化があることが明らかになりました。これらの衛星の測定値は、提案されているモデルとは4%ほど異なっています。

 

4. プラズマ宇宙論

画像出典:Luc Viatour

 

現在の宇宙に関する理解は、重力、特にアインシュタインの一般相対性理論に大きく影響されており、宇宙論研究者はこの理論を通して宇宙の本質を説明しています。しかし、偶然にも、他の多くの物事と同じように、重力に代わる理論も長年にわたって科学者らに研究されてきました。

 

プラズマ宇宙論は、宇宙では重力の代わりに電磁力やプラズマが重要な役割を果たしているとするものです。アプローチの仕方は様々ですが、基本的な考え方は変わりません。すなわち太陽、星、銀河を含むすべての天体は、何らかの電気的なプロセスによって生じたものである、ということです。

 

プラズマ宇宙論は、1960年代後半にノーベル賞受賞者のハンネス・アルフェーンによって提唱されたのが最初です。その後、スウェーデンの理論物理学者オスカー・クラインが加わり、アルフェーン=クライン・モデルを開発しました。

 

このモデルは、宇宙には物質と反物質が同量ずつ存在するという仮定に基づいています(現代の素粒子物理学ではそうなっていない)。この2つの領域の境界は、宇宙の電磁場によって示されています。そのため、両者の相互作用によってプラズマが発生することになり、アルフェーンはこれを「アンビプラズマ」と名付けました。

 

この理論によれば、このようなプラズマは、宇宙全体で物質と反物質の大きな部分を形成していることになります。さらに、私たちが現在いる宇宙は、物質が反物質よりはるかに多く存在する区間に違いない、つまり物質と反物質の非対称性の問題が解決される、と理論化しました。

 

3. 緩慢凍結理論

画像出典:NASA

 

数十年にわたる数学的モデリングと研究により、宇宙論研究者は、私たちの宇宙は特異点と呼ばれる無限の密度と温度を持つ一点から始まったという妥当な結論に達しました。宇宙はその後、膨張することで冷却され、銀河や星などの天体が形成されました。

 

それでも、ご存知のように標準的なビッグバンモデルが否定されないわけではなく、そうした挑戦的な理論を提唱したのが、ドイツのハイデルベルク大学クリストフ・ヴェッテリッヒ教授でした。

 

ヴェッテリッヒは、私たちが今日知っている宇宙は、実は長い凍結から目覚めた、冷たくまばらな状態から始まったのではないかと主張しました。そして、時間とともに初期宇宙の基本粒子は重くなり、重力定数は減少していったというのです。

 

さらに、粒子の質量が増加していれば、初期宇宙からの放射によって、実際にはそうでなくても、空間が高温になり、互いに遠ざかっているように見える可能性があると説明しました。

 

ヴェッテリッヒの緩慢凍結宇宙モデルの基本的な考え方は、「宇宙には始まりもなければ未来もない」というものです。熱いビッグバンの代わりに、冷たくてゆっくりと進化する宇宙を提唱しています。ヴェッテリッヒによれば、この理論によって、宇宙初期の密度揺動(原始揺動)や、現在の宇宙がダークエネルギーに支配されている理由も説明できるということです。

 

2. ヒンドゥー教の宇宙論

宗教と科学は、少なくともコペルニクスやガリレオの時代から、最良の敵同士でした。宗教について語るときに、科学が入り込む余地はないでしょうし、その逆もまた然りです。それでも、宇宙論的な信念が、現在の宇宙モデルとうまく調和する宗教があるのです。

 

ヒンズー教の神話における創造説は、他の宗教での同等のものの中で、最も古く、重要なものの一つとして広く考えられています。長年にわたり、カール・セーガンやニールス・ボーアといった著名な物理学者や宇宙論研究者は、ヒンドゥー教の宇宙観が宇宙の標準宇宙論モデルの時間軸と密接に類似していることに賞賛の声をあげてきました。

 

ヒンドゥー教の神話では、宇宙は無限の循環モデルに従っているとされています。それは、現在の宇宙が無限の宇宙と入れ替わることを意味します。宇宙のそれぞれの反復は、「カルパ」(またはブラフマー神の昼)と「プララヤ」(ブラフマー神の夜)の2期に分けられ、それぞれ43億2000万年の長さです。ヒンドゥー教の神話によると、宇宙の年齢(86億4000万年)は、現在推定されている太陽系の年齢よりも長いとされています。

 

1. 定常宇宙

 

定常モデルとは、観測可能な宇宙はどの場所でもどの時間でも同じであると主張するものです。永遠に膨張し続ける宇宙では、その空間を埋めるように物質が作られ続けています。

 

このモデルによれば、私たちの近くにある銀河などの大きな天体は、遠くにあるものと同じように見えるはずです。しかし、ビッグバンでは、光が届くまでに時間がかかるため、遠くの銀河は近くの銀河よりも若く見えるはずです(地球から観測した場合)。

 

定常という考え方は、1948年に宇宙論研究者のヘルマン・ボンディ、フレッド・ホイル、トーマス・ゴールドによって初めて提唱されました。これは、宇宙はどこを見ても同じである、という完全宇宙論的原理そのものから導き出されたものです。

 

定常理論は、20世紀初頭から半ばにかけて広く人気を博しました。しかし、1960年代には、宇宙マイクロ波背景放射の発見によってビッグバン説が支持されたため、科学界からほとんど捨て去られました。

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