家 / ダークスポット/ ビッグバン理論は宇宙の始まりです。超大国。自然に関する統一理論の探求

ビッグバン理論は宇宙の始まりです。超大国。自然に関する統一理論の探求

誰もが、（少なくとも現時点では）宇宙の起源を説明するビッグバン理論について聞いたことがあるでしょう。しかし、科学界には、アイデアに挑戦したい人が常にいます - ちなみに、そこから素晴らしい発見がしばしば生まれます。

しかし、ディッケは、このモデルが本物であれば、人口 I と人口 II、若い星と年老いた星という 2 種類の星が存在しないことに気づきました。そして彼らはそうでした。これは、私たちの周りの宇宙が、それでも熱くて密度の高い状態から発展したことを意味します。たとえそれが歴史上唯一のビッグバンではなかったとしても。

すごいですよね？このような爆発が複数回起こったらどうなるでしょうか? 何十、何百？科学はまだこれを解明していません。ディッケは同僚のピーブルズに、記載されたプロセスに必要な温度と今日の残留放射線の推定温度を計算するよう依頼しました。ピーブルズの大まかな計算によれば、今日宇宙は温度 10 K 未満のマイクロ波放射で満たされているはずであり、ロールとウィルキンソンはベルが鳴ったときすでにこの放射を探す準備をしていました...

ロストイントランスレーション

しかし、ここでは地球の別の隅、ソ連に移動する価値があります。宇宙マイクロ波背景放射の発見に最も近かった人たち（そして、その仕事を完了しなかった人たちも！）はソ連にいた。ソ連の科学者たちは、数カ月にわたって膨大な量の研究を行い、その報告書が1964年に出版されたが、パズルのすべてのピースを組み立てたかに見えたが、欠けていたのは1つだけだった。ソ連科学界の巨人の一人であるヤコフ・ボリソビッチ・ゼルドビッチは、ガモフ（米国在住のソ連の物理学者）のチームが行ったものと同様の計算を実施し、宇宙は高温から始まったに違いないという結論に達した。ビッグバンは、数ケルビンの温度の背景放射を残しました。

ヤコフ・ボリソビッチ・ゼルドビッチ、 -

彼は、宇宙マイクロ波背景放射の温度を大まかに計算した、ベルシステムテクニカルジャーナルに掲載されたエドオームの記事についても知っていましたが、著者の結論を誤解していました。なぜソ連の研究者たちは、オームがすでにこの放射線を発見していたことに気づかなかったのでしょうか? 翻訳ミスのため。オームの論文には、彼が測定した空の温度は約 3 K であると記載されています。これは、彼が考えられるすべての電波干渉源を差し引いたものであり、3 K が残りの背景の温度であることを意味します。

しかし、偶然にも、大気放射の温度も同じ（3 K）であり、オームはこれについても修正しました。ソビエトの専門家は、オームがこれまでのすべての調整の後に残したものはこの 3 K であると誤って判断し、それらも差し引いて何も残らなかった。

今日では、このような理解の誤りは電子通信のプロセスを通じて簡単に排除されますが、1960 年代初頭、科学者間のコミュニケーションはソビエト連邦そして米国は非常に困難でした。これがこのような攻撃的なミスの原因でした。

流れ去ったノーベル賞

ディッケの研究室に電話が鳴った日に戻りましょう。同時に、天文学者のアルノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンが、あらゆるものから発せられるかすかな電波ノイズを偶然検出することに成功したと報告したことが判明した。その後、別の科学者チームがそのような放射線の存在について独自にアイデアを思いつき、それを探すための検出器の構築を開始したことさえ彼らはまだ知りませんでした。それはディッケとピーブルズのチームでした。

さらに驚くべきことは、宇宙マイクロ波背景放射、または宇宙マイクロ波背景放射とも呼ばれるこの放射が、ビッグバンの結果としての宇宙の出現のモデルの枠組みの中で 10 年以上前に記述されたことです。ジョージ・ガモフとその仲間たち。どちらの科学者グループも他の科学者グループもこのことを知りませんでした。

ペンジアスとウィルソンはディッケの指導下にある科学者の研究について偶然知り、それについて話し合うために彼らに電話をかけることにした。ディッケはペンジアスの話に注意深く耳を傾け、いくつかのコメントを述べた。電話を切った後、彼は同僚に向かってこう言いました。「皆さん、私たちは先を越されました。」

ほぼ15年後、多くの天文学者グループがさまざまな波長で多くの測定を行った結果、彼らが発見した放射線が確かに温度2.712Kのビッグバンの遺物エコーであることが確認され、ペンジアスとウィルソンはノーベル賞を分け合った。彼らの発明。最初は彼らは自分たちの発見について記事を書きたくなかったが、それは支持できず、彼らが支持していた静止宇宙のモデルに当てはまらないと考えたからである。

ペンジアスとウィルソンは、ディッケ、ピーブルズ、ロール、ウィルキンソンに続くリストの5番目と6番目の名前として挙げられれば十分だと考えていたと言われている。この場合、ノーベル賞はディッケに与えられることになるだろう。しかし、すべてが起こったように起こりました。

追記: ニュースレターを購読してください。 2 週間に 1 回、MYTH ブログから最も興味深く役立つ資料 10 個をお送りします。

ビッグバンの謎

私たちの宇宙は 137 億年前のビッグバンで始まり、科学者たちは何世代にもわたってこの現象を理解しようと努めてきました。

20 世紀の 20 年代の終わりに、エドウィンハッブルは、私たちが見ているすべての銀河が、爆発後の手榴弾の破片のようにバラバラに飛び散っていることを発見しました。同時に、ベルギーの天文学者で神学者のジョルジュルメートルは、彼の仮説を提唱しました。 1931年にそれはNatureのページに掲載されました）。彼は、宇宙の歴史は「原始原子」の爆発で始まり、これによって時間、空間、物質が誕生したと信じています（これに先立ち、1920 年代初頭、ソ連の科学者アレクサンダー・フリードマンもアインシュタインの方程式を分析していました）。「宇宙は点から創造された」という結論に達し、それには「私たちの通常の数百億年」がかかりました。

当初、天文学者たちはベルギーの神学者の推論を断固として拒否した。なぜなら、ビッグバン理論は創造主なる神に対するキリスト教の信仰と完全に結びついていたからです。科学者たちは2世紀にわたり、「すべての始まりの始まり」に関する宗教的思索が科学に浸透することを防いできた。そして今、ニュートン力学の歯車の計り知れない揺れによって自然から追放された神が、思いがけず戻ってくる。彼はビッグバンの炎の中に来ており、これ以上に勝利を収めた姿を想像するのは難しい。

しかし、問題は神学だけではありませんでした。ビッグバンは正確な科学の法則に従っていませんでした。宇宙の歴史の中で最も重要な瞬間は、知識を超えたものでした。時空軸上に位置するこの特異な（特別な）点では、圧力、温度、エネルギー密度、空間曲率が無限大に突入し、すべてが失われたため、一般相対性理論は機能しなくなりました。物理的な意味。この時点で、これらすべての秒、メートル、天文単位。この点は、論理や数学の支柱では乗り越えることのできない溝であり、時間と空間に突き抜けた穴です。

ロジャー・ペンローズとスティーブン・ホーキング博士が、アインシュタインの理論内ではビッグバン特異点が避けられないことを説得力を持って示したのは、1960 年代後半になってからでした。しかし、これによって理論家の作業が容易になるわけではありません。ビッグバンをどう説明するか? たとえば、何がこの出来事を引き起こしたのでしょうか？結局のところ、その前にまったく時間がなかった場合、それを引き起こした理由は存在し得ないように思えます。

私たちが今理解しているように、ビッグバンの完全な理論を作成するには、空間と時間を説明するアインシュタインの教えと、素粒子とその相互作用を扱う量子論を結び付ける必要があります。おそらく、これが可能になり、単一の「宇宙の公式」が導き出されるまでには、10年以上かかるかもしれません。

たとえば、この信じられないほどの力の爆発を引き起こした膨大な量のエネルギーはどこから来るのでしょうか？おそらく私たちの宇宙は、特異点に崩壊した前任者からそれを受け継いだのでしょうか？しかし、それでは彼女はどこからそれを手に入れたのでしょうか？それとも、そのエネルギーは原初の真空に溢れ出て、そこから私たちの宇宙が「泡の泡」のように抜け出たのでしょうか？それとも、古い世代の宇宙は、それらの特異点を通して若い世代の宇宙にエネルギーを伝達しているのでしょうか - おそらくその深さで、私たちが決して見ることのない新しい世界が誕生しているのでしょうか？それはともかく、このようなモデルにおける宇宙は「開放系」として現れ、「何もなかったが、突然宇宙が誕生した」というビッグバンの「古典的」イメージとはまったく一致しません。

誕生当時の宇宙は非常に高密度で高温の状態でした。

それとも、一部の研究者が信じているように、私たちの宇宙には一般的に...エネルギーが存在しない、あるいはむしろその総エネルギーがゼロであるという可能性はあるのでしょうか? 物質から放出される放射線のプラスのエネルギーは、重力のマイナスのエネルギーに重ねられます。プラスとマイナスはゼロに等しい。この悪名高い「0」がビッグバンの性質を理解する鍵となるようです。そこから、「ゼロ」から、「無」から、すべてが瞬時に生まれました。偶然です。自発的に。ただ。 0 からのわずかな逸脱が、世界的なイベントの雪崩を引き起こしました。次のような比較が可能です。チョモランマの細い尖塔のような頂上でバランスをとっている石球が、突然揺れて転がり落ち、「雪崩」を引き起こしました。

1973年 - アメリカの物理学者エドワード・トライオンは、量子論の基礎の一つであるハイゼンベルグの不確定性原理を用いて宇宙の誕生過程を記述しようと試みた。この原理によれば、たとえばエネルギーを正確に測定すればするほど、時間はより不確実になります。したがって、エネルギーが厳密にゼロであれば、時間は任意に大きくなる可能性があります。あまりにも大きいので、遅かれ早かれ、宇宙が誕生する量子真空に揺らぎが生じるでしょう。これにより、何もないところから宇宙が急速に拡大することになります。「宇宙は時々生まれる、それだけだ」とトリオンはビッグバンの背景を簡潔に説明した。それは大きなランダムな爆発でした。それだけです。

ビッグバンが再び起こる可能性はあるでしょうか?

奇妙なことに、そうです。私たちはまだ実を結び、新しい世界を生み出すことができる宇宙に住んでいます。将来の「ビッグバン」を説明するいくつかのモデルが作成されています。

たとえば、なぜ私たちの宇宙が誕生したのと同じ真空の中に新たな変動が現れないのでしょうか? おそらくこの 137 億年の間に、無数の世界が互いに接触することなく、私たちの宇宙の隣に現れてきました。それらにはさまざまな自然法則が作用しており、さまざまな物理定数があります。これらの世界のほとんどでは、生命が誕生することはありえませんでした。彼らの多くはすぐに死に、崩壊を経験します。しかし、一部の宇宙では、まったくの偶然です。 – 生命が発生する条件が発生します。

しかし、重要なのは、「すべての時代と人々」の始まりの前に存在する空白だけではありません。未来の世界に伴う変動は、私たちの宇宙に拡散する真空、より正確には、宇宙を満たす暗黒エネルギーの中でも発生する可能性があります。この種の「新しくなる宇宙」のモデルは、ソ連出身のアメリカの宇宙学者、アレクサンダー・ビレンキンによって開発されました。こうした新たな「大爆発」は私たちにとって脅威ではありません。それらは宇宙の構造を破壊したり、焼き尽くしたりはせず、私たちの観察と理解が可能な限界を超えた新しい空間を作り出すだけです。おそらく、新世界の誕生を示す同様の「爆発」が、宇宙に点在する多数のブラックホールの深さで起こるのではないか、とアメリカの天体物理学者リー・スモーリンは考えている。

西側に住むもう一人のソ連出身の宇宙学者アンドレイ・リンデは、宇宙のある時点で一定の臨界限界を超える膨大なエネルギーを収集することで、私たち自身が新たなビッグバンを引き起こすことができると信じている。彼の計算によれば、将来の宇宙技術者は、目に見えない物質をひとつまみ（わずか100分の数ミリグラム）採取し、その塊のエネルギーが1015ギガ電子ボルトになる程度まで圧縮できるという。小さなブラックホールが形成され、指数関数的に拡大し始めます。このようにして、独自の時空を持つ「娘宇宙」が誕生し、私たちの宇宙から急速に分離します。

...ビッグバンの性質には素晴らしいものがたくさんあります。しかし、この理論の正当性は多くの自然現象によって証明されています。これらには、私たちが観察している宇宙の膨張、化学元素の分布パターン、そして「ビッグバンの遺物」と呼ばれる宇宙背景放射線が含まれます。

世界は永遠に存在するわけではありません。ビッグバンの炎の中で誕生しました。しかし、これは宇宙の歴史の中で特異な現象だったのでしょうか？それとも星や惑星の誕生のような繰り返しの出来事でしょうか？ビッグバンが永遠の 1 つの状態から別の状態への移行段階にすぎないとしたらどうなるでしょうか?

多くの物理学者は、最初は何もなかったのではなく、何かがあったと言っています。おそらく私たちの宇宙も、他の宇宙と同様に、素量子の真空から誕生したのでしょう。しかし、そのような状態がどれほど「最小限に単純」であっても、物理法則では量子真空未満になることは認められていませんが、それでも「無」と呼ぶことはできません。

おそらく、私たちが見ている宇宙は、永遠の集合体にすぎないのでしょうか？そして、銀河と銀河団の奇妙な配置 - 結晶格子のようなもの。これは、私たちの宇宙の誕生前に存在したn次元世界ではまったく異なる構造を持っており、おそらく宇宙が探し求めた「万物の公式」によって予測されていました。アインシュタイン？そして、今後数十年以内に発見されるでしょうか？科学者たちは、私たちの宇宙を隔てている未知の壁を熱心に覗き込んで、私たちの通常の考えによれば、まったく何もなかったという瞬間前に何が起こったのかを理解しようとしています。私たちの宇宙では考えられない性質を時間と空間に与え、永遠の宇宙のどのような形が想像できるでしょうか?

物理学者が永遠全体を押し込めようとしている最も有望な理論の中で、量子幾何学、量子スピン力学、または量子重力の理論を挙げることができます。その発展に最も貢献したのは、アベイ・アシュテカール、テッド・ジェイコブソン、イェジー・レヴァンドフスキ、カルロ・ロヴェッリ、リー・スモーリン、トーマス・ティーマンでした。これらはすべて最も複雑な物理的構造であり、その深さと暗闇に隠された深淵、時間と空間の特異性を隠すためだけに、公式と仮説に基づいて構築された宮殿全体です。

シンギュラリティの時代

新しい理論の遠回りな道は、一見して明らかな真実をまたぐことを私たちに強います。したがって、量子幾何学では、以前は無限に押しつぶされていた空間と時間が、突然別々の島、つまりそれより小さい部分、量子、に分裂します。すべての特異点は、この「石のブロック」に埋め込むことができます。時空自体は、一次元の構造の織り合わせ、つまり「スピンのネットワーク」に変わります。つまり、個別のリンクから編まれた一種の鎖である離散構造になります。

空間の可能な最小のループの体積は、わずか 10 ～ 99 立方センチメートルです。この値は非常に小さいため、1 立方センチメートルには、私たちが観察している宇宙の同じ立方センチメートルよりもはるかに多くの空間量子が存在します (宇宙の体積は立方体あたり 1085 センチメートルです)。空間量子の内部には、エネルギーも物質も何もありません。ちょうど数学の点の内部と同じように、定義上、三角形も二十面体も見つけることができません。しかし、ペンシルバニア大学のアビー・アシュテカールとマーティン・ボジョワルドが示したように、ビッグバンを説明するために「極微視的な宇宙構造」仮説を適用すると、驚くべき結果が得られる。

空間の連続的な流れを前提とする標準宇宙論の微分方程式を、量子幾何学に基づく他の微分方程式に置き換えれば、謎の特異点は消滅する。物理学はビッグバンが始まるところで終わるわけではありません。これは、私たちが究極の真実と見なしている宇宙の性質を受け入れることを拒否した宇宙学者の最初の心強い結論です。

量子重力理論は、私たちの宇宙が（他のすべての宇宙と同様に）量子真空、つまり時間のない地球規模の巨視的環境におけるランダムな変動の結果として誕生したことを示唆しています。量子真空に一定の大きさの揺らぎが起こるたびに、新しい宇宙が誕生します。それは、それが形成された均質な環境から「飛び出て」、自らの生命を始めます。今、それは独自の歴史、独自の空間、独自の時間、独自の時間の矢を持っています。

現代物理学では、マクロ時間が存在せず、ミクロ時間が流れる特定の時点で、永遠に存在する環境から、私たちのような巨大な世界がどのようにして生じ得るかを示す理論が数多く生み出されています。

たとえば、イタリアの物理学者ガブリエレ・ヴェネツィアーノとマウリツィオ・ガスペリーニは、弦理論の枠組みの中で、当初はいわゆる「弦真空」が存在したと示唆しています。その中のランダムな量子ゆらぎによりエネルギー密度が臨界値に達し、局所的な崩壊が引き起こされました。それは真空から私たちの宇宙が誕生することで終わりました。

アベイ・アシュテカールとマーティン・ボジョワルドは、量子幾何学の理論を使用して、空間と時間がより原始的な基本構造、つまり「スピンのネットワーク」から出現できることを示しました。

デュッセルドルフ大学のエックハルト・レーバン氏と、独立してケープタウン大学のジョージ・エリス氏とロイ・マーテンス氏は、アルバート・アインシュタインと英国の天文学者アーサー・エディントンによって検討された「静的宇宙」のアイデアを発展させています。量子重力の影響を回避する探求の中で、レバンと彼の同僚は、時間が存在しない永遠の虚空（または、お好みで空の永遠）の真ん中に球形の空間を思いつきました。何らかの不安定性により、ここではインフレプロセスが発生し、それがホットビッグバンにつながります。

もちろん、リストされているモデルは推測にすぎませんが、基本的には現在の物理学の発展レベルと過去数十年間の天体観測の結果に対応しています。いずれにせよ、明らかなことが一つある。ビッグバンはむしろ普通の自然な出来事であり、この種の唯一の出来事ではありませんでした。

このような理論は、ビッグバンの前に何が起こったのかを理解するのに役立つでしょうか? 宇宙が誕生したとしたら、何がそれを生み出したのでしょうか? 現代の宇宙論のどこに、彼女の親の「遺伝的痕跡」が現れるのでしょうか? 2005 - たとえば、Abey Ashtekar は、新しい計算の結果を発表しました (Tomasz Pawlowski と Parampreet Singh が計算に協力しました)。彼らから、初期の前提が正しければ、ビッグバンの前とこの出来事の後と同じ時空が存在することは明らかでした。私たちの宇宙の物理学は、あたかも鏡のように、他の世界の物理学に反映されます。これらの計算では、ビッグバンは鏡のスクリーンのように永遠を切り裂き、相容れないもの、つまり自然とその反射を近くに置きました。そして、ここでの本物とは何ですか、幽霊とは何ですか？

「鏡ガラスの向こう側から」見えるのは、当時宇宙は膨張しておらず、収縮していたことだけだ。ビッグバンはその崩壊点となりました。この瞬間、空間と時間は一瞬止まり、私たちにとってすでに馴染みのある世界、私たちが数式、コード、数字で測定する宇宙に再び反映され、継続し、不死鳥のように立ち上がりました。宇宙は文字通り、手袋やシャツのように裏返しになり、それ以来着実に膨張を続けています。アシュテカールによれば、ビッグバンは「何もないところから宇宙全体が創造された」ものではなく、永遠の一つのダイナミックな形態から別の永遠への移行にすぎませんでした。おそらく、宇宙は終わりのない一連の「ビッグバン」を経験しており、宇宙が生きている法則によれば、その個々の位相を区切るこの数百億年（またはその他の）年は、「宇宙の正弦波」の期間にすぎないのでしょうか？

ビッグバン理論は現在、コペルニクスの体系と同じくらい確実であると考えられています。しかし、1960年代後半まで、多くの科学者が当初、宇宙の膨張という考え自体を否定していたためだけではなく、それは普遍的な認識を享受できませんでした。ただ、このモデルには強力なライバルがいました。

11 年後には、科学としての宇宙論は 100 周年を迎えることができるでしょう。 1917 年、アルバートアインシュタインは、一般相対性理論の方程式によって物理的に合理的な宇宙モデルの計算が可能になることに気づきました。古典力学と重力理論はそのような可能性を提供しません。ニュートンは宇宙の全体像を構築しようとしましたが、どのシナリオでも重力の影響で必然的に崩壊します。

アインシュタインは宇宙の始まりと終わりをまったく信じていなかったので、永遠に存在する静的な宇宙を考え出しました。これを行うには、方程式に特別な要素を導入する必要がありました。これにより「反重力」が生じ、それによって世界秩序の安定が正式に確保されました。アインシュタインは、この追加（いわゆる宇宙論的用語）は洗練されておらず、醜いが、それでも必要であると考えました（一般相対性理論の著者は、自分の美的本能を無駄に信頼しませんでした。静的モデルは不安定であり、したがって物理的に無意味であることが後に証明されました）。

アインシュタインのモデルにはすぐに競合相手が現れました。ウィレム・デ・シッターによる物質のない世界のモデル（1917年）、アレクサンダー・フリードマンの閉じた非定常モデルと開いた非定常モデル（1922年と1924年）です。しかし、これらの美しい構造は、当面は純粋に数学的な演習のままでした。宇宙全体について憶測的にではなく語るためには、星団の外側に太陽系と私たちも存在する世界があることを少なくとも知らなければなりません。そして、宇宙論が天文観測に支援を求める機会を得たのは、エドウィン・ハッブルが1926年に著書『銀河系外星雲』を発表してからであり、銀河は天の川銀河の一部ではない独立した星系として初めて記述された。

宇宙の創造には 6 日もかかりませんでした。作業の大部分ははるかに早く完了しました。これが彼のおおよその年表です。

0.ビッグバン。

プランク時代: 10-43 年代。プランクの瞬間。重力相互作用は分離されています。このときの宇宙の大きさは10～35m（いわゆるプランク長）です。 10-37秒。宇宙のインフレーション拡大。

大統一の時代：10-35ページ強い相互作用と電弱相互作用の分離。 10〜12秒。弱い相互作用の分離と最終的な相互作用の分離。

ハドロン時代: 10-6 秒。陽子-反陽子対の消滅。クォークと反クォークは自由粒子として存在しなくなります。

レプトン時代：1秒。水素原子核が形成されます。ヘリウムの核融合が始まります。

元素合成の時代: 3 分。宇宙は 75% の水素、25% のヘリウム、および微量の重元素で構成されています。

放射線照射期間：1週間。この時点までに、放射は熱化されます。

物質の時代：1万年。物質が宇宙を支配し始めます。 38万年。水素原子核と電子が再結合すると、宇宙は放射線に対して透明になります。

恒星の時代：10億年。最初の銀河の形成。 10億年。最初の星の形成。 90億年。太陽系の形成。 135億年。この瞬間

銀河の後退

このチャンスはすぐに実現しました。マサチューセッツ工科大学で天体物理学を学んだベルギー人のジョルジュ・アンリ・ルメートルは、ハッブルが銀河後退の証拠となる革命的な発見に近づいているという噂を聞いた。 1927 年に祖国に戻ったルメートルは、一般相対性理論の方程式に従って膨張する超高密度物質の爆発の結果として形成される宇宙のモデルを発表しました (そしてその後数年で洗練され、開発されました)。彼は、それらの半径方向の速度が太陽系からの距離に比例するはずであることを数学的に証明しました。 1年後、プリンストン大学の数学者ハワード・ロバートソンも独自に同じ結論に達した。

そして 1929 年に、ハッブルは 24 個の銀河の距離とそこから来る光の赤方偏移に関するデータを処理することによって、実験的に同じ依存性を取得しました。 5年後、ハッブルと彼の観測助手であるミルトン・ヒューメイソンは、観測可能な宇宙の最外周にある非常に暗い銀河を監視することによって、この結論のさらなる証拠を提供しました。ルメートルとロバートソンの予測は完全に正当化され、非定常宇宙の宇宙論は決定的な勝利を収めたかに見えました。

認識されないモデル

しかしそれでも、天文学者たちは万歳を叫ぶことを急ぐことはなかった。ルメートルのモデルにより、宇宙の存在期間を推定することが可能になりました。これには、ハッブル方程式に含まれる定数の数値を見つけるだけで済みました。この定数を決定する試みにより、私たちの世界はわずか約 20 億年前に誕生したという結論に達しました。しかし、地質学者は地球はもっと古いと主張し、天文学者は宇宙にはもっと古い星がたくさんあると信じていました。由緒正しい年齢。天体物理学者にも不信感を抱く独自の理由がありました。レメトレモデル（この研究は 1942 年にチャンドラセカールによって初めて行われました）に基づく宇宙の化学元素分布の割合組成は、明らかに現実と矛盾していました。

専門家の懐疑論も哲学的な理由で説明された。天文学界は、多くの銀河が住む無限の世界が目の前に広がっているという考えに慣れてきたところだ。その根本は変わらず、永遠に存在するのが自然であるように思えた。そして今、科学者たちは、宇宙が空間的にだけでなく時間的にも有限であることを認めるように求められました（さらに、この考えは神の創造を示唆しました）。したがって、レメトロフの理論は長い間機能しないままでした。しかし、1934 年にリチャード・トールマンによって提案された、永遠に振動する宇宙のモデルには、さらに悪い運命が降りかかりました。それはまったく真剣に認識されず、1960 年代後半には数学的に間違っているとして却下されました。

1948 年初頭にジョージガモフと彼の大学院生ラルフアルファーがこのモデルのより現実的な新しいバージョンを構築した後、「膨張した世界」の株価はあまり上昇しませんでした。ルメートルの宇宙は、仮説上の「原始原子」の爆発から誕生しましたが、これは明らかに小宇宙の性質についての物理学者の考えを超えていました。

ガモフの理論長い間これは非常に学術的に「動的進化モデル」と呼ばれていました。そして、奇妙なことに、「ビッグバン」という言葉は、この理論の著者やその支持者によっても造られたものではありません。 1949 年、BBC の科学プロデューサー、ピーターラスレットはフレッドホイルを 5 回の連続講義の準備に招待しました。ホイルはマイクの前で輝きを放ち、すぐにラジオリスナーの間で絶大な支持を得ました。最後のスピーチで、彼は宇宙論について話し、自分のモデルについて話し、最終的には競合他社との折り合いをつけることにしました。ホイル氏は、彼らの理論は「宇宙は単一の物質によって誕生したという仮定に基づいている」と述べた。強力な爆発「したがって、時間は有限です...ビッグバンというこの考えは、私には完全に満足のいくものではないように思えます。」これが、この表現が最初に登場した方法です。ロシア語では、「ビッグコットン」とも翻訳できますが、おそらくこの表現のほうが正しいでしょう。これは、ホイルが付けた y の軽蔑的な意味に正確に対応しています。1 年後、彼の講義が出版され、この新しい用語は世界中に広まりました。

ジョージ・ガモフとラルフ・アルファーは、宇宙は誕生直後、電子、光子、陽子、中性子というよく知られた粒子で構成されていると提案しました。彼らのモデルでは、この混合物は次のように加熱されました。高温(現在と比較して) 小さなボリュームにしっかりと詰め込まれています。ガモフとアルファーは、この超高温のスープ中で熱核融合が起こり、ヘリウムの主要同位体であるヘリウム 4 が形成されることを示しました。彼らは、わずか数分後には、ヘリウム原子核ごとに約 12 個の水素原子核が存在する平衡状態になると計算しました。

この割合は、宇宙における軽元素の分布に関する天文学的データと非常に一致していました。これらの発見は、エンリコ・フェルミとアンソニー・トルキェヴィッツによってすぐに確認されました。彼らはまた、熱核融合プロセスでは軽同位体ヘリウム 3 と水素の重同位体である重水素と三重水素を生成する必要があることも確立しました。宇宙空間におけるこれら 3 つの同位体の濃度に関する彼らの推定値も、天文学者の観測結果と一致しました。

問題理論

しかし、現役の天文学者たちは疑問を抱き続けた。第一に、ガモフの理論では解決できなかった宇宙年齢の問題が残っていました。銀河が一般に信じられているよりもはるかにゆっくりと飛び去ることを証明することによってのみ、世界の存在期間を延ばすことが可能でした（最終的にこれは、大部分がパロマー天文台で行われた観測の助けによって起こりましたが、すでに1960年代）。

第二に、ガムの理論は元素合成で行き詰まった。ヘリウム、重水素、三重水素の出現について説明しましたが、彼女はより重い原子核に進むことができませんでした。ヘリウム 4 原子核は 2 つの陽子と 2 つの中性子で構成されています。陽子をくっつけてリチウム原子核に変わることができれば大丈夫だ。しかし、陽子 3 個と中性子 2 個、または陽子 2 個と中性子 3 個の原子核 (リチウム 5 とヘリウム 5) は非常に不安定で、瞬時に崩壊します。したがって、自然界には安定なリチウム 6 (陽子 3 個と中性子 3 個) のみが存在します。直接核融合によって形成されるためには、陽子と中性子が同時にヘリウム原子核と融合する必要があり、その確率は極めて低い。確かに、宇宙が存在して最初の数分間の物質密度が高い条件下では、そのような反応は依然として時折発生しており、これが最古のリチウム原子の濃度が非常に低いことを説明しています。

自然はガモフに別の不快な驚きを用意してくれました。重元素への道は、2 つのヘリウム原子核の融合を経由する可能性もありますが、この組み合わせも実行不可能です。リチウムより重い元素の起源を説明する方法はなく、1940年代後半にはこの障害は乗り越えられないと思われていました（現在では、リチウムが安定した星や爆発する星、宇宙線の中でのみ誕生することがわかっていますが、ガモフはそのことを知りませんでした）。

しかし、宇宙の「熱い」誕生のモデルにはまだもう 1 枚のカードが予備として残されており、それが時間の経過とともに切り札となりました。 1948年、アルファーとガモフのもう一人の助手ロバート・ハーマンは、宇宙には最初の大変動から30万年後に生じたマイクロ波放射が浸透しているという結論に達した。しかし、電波天文学者はこの予測に関心を示さず、紙の上にとどまった。

競合他社の出現

ガモフとアルファーは、1934 年以来ガモフがジョージワシントン大学で教鞭を執っていた米国の首都で「ホットな」モデルを発明しました。彼らの生産的なアイデアの多くは、ホワイトハウス近くのペンシルベニア通りにあるリトル・ウィーン・バーで適度な飲み物を飲みながら生まれました。そして、宇宙論の構築へのこの道が一部の人にとってエキゾチックに見えるとしたら、ホラー映画の影響下で生まれた代替案については何が言えるでしょうか?

フレッド・ホイル: 宇宙は永遠に膨張しています! 物質は、宇宙の平均密度が一定に保たれるような速度で、空虚の中で自然に誕生します。

古き良き英国、ケンブリッジ大学には、戦後、フレッド・ホイル、ハーマン・ボンディ、トーマス・ゴールドという 3 人の優れた科学者が定住しました。それ以前は、彼らは英国海軍のレーダー研究所で働いており、そこで友人になりました。ヨークシャー出身の英国人ホイルは、ドイツ降伏の時まだ30歳になっておらず、ウィーン出身の彼の友人たちは25歳だった。「レーダー時代」のホイルと彼の友人たちは、宇宙の問題や宇宙の問題についての会話に専念し、宇宙学。 3 人全員がルメートルのモデルを嫌いましたが、ハッブルの法則を真剣に受け止めたため、静的な宇宙の概念を拒否しました。戦後、彼らはボンダイの家に集まり、同じ問題について話し合いました。ホラー映画「デッド・イン・ザ・ナイト」を観たことがきっかけでした。主人公のウォルター・クレイグは、自分が出来事の閉じたループの中にいることに気づき、映画の終わりには、すべてが始まったのと同じ状況に戻ってしまいました。このようなプロットを持つ映画は永遠に続く可能性があります（司祭とその犬についての詩のように）。そのとき、ゴールドは、宇宙がこのプロットの類似物であることが判明する可能性があることに気づきました。変化すると同時に不変であるということです。

友人たちは、そのアイデアはクレイジーだと思いましたが、その後、これには何かがあると判断しました。彼らは協力して仮説を一貫した理論に変えました。ボンディとゴールドはそれについて一般的なプレゼンテーションを行い、ホイルは別の出版物「膨張する宇宙の新しいモデル」で数学的計算を示しました。彼は一般相対性理論を基礎としましたが、負の圧力を持つ仮想の「創造場」(C フィールド) でそれらを補足しました。この種のものは 30 年後にインフレーション宇宙論に登場し、ホイルはそれを非常に喜んで強調した。

定常状態宇宙論

新しいモデルは定常状態宇宙論として科学の歴史に名を連ねました。彼女は、空間のすべての点（アインシュタインの場合がそうでした）だけでなく、時間のすべての瞬間についても完全な平等を宣言しました。宇宙は膨張していますが、始まりはありません。なぜなら、それは常にそれ自体と似たままであるからです。ゴールドはこの声明を完全な宇宙論的原理と呼びました。このモデルの空間の幾何学構造は、ニュートンの幾何学構造と同様に平らなままです。銀河は散乱しますが、宇宙では「何もないところから」（より正確には、創造の場から）新しい物質が出現し、その強度は物質の平均密度が変わらないほどです。当時知られていたハッブル定数の値に従って、ホイルは、30 万年の間に宇宙の 1 立方メートルあたり 1 つの粒子だけが誕生すると計算しました。なぜ機器がこれらのプロセスを記録しないのかという疑問はすぐに消えました。人間の基準からすると遅すぎるのです。新しい宇宙論は、宇宙の年齢に関連するいかなる困難も経験しませんでした。この問題は単に宇宙論には存在しませんでした。

彼のモデルを確認するために、ホイルは若い銀河の空間分布に関するデータを使用することを提案しました。 C フィールドがあらゆる場所で物質を均一に生成する場合、そのような銀河の平均密度はほぼ同じになるはずです。それどころか、宇宙の激変的な誕生のモデルは、観測可能な空間の端でこの密度が最大になると予測しています。そこから、まだ老化する時間がない星団の光が私たちにやって来ます。ホイルの基準は完全に合理的でしたが、当時は十分に強力な望遠鏡がなかったため、それをテストすることはできませんでした。

勝利と敗北

15 年以上にわたり、ライバル理論はほぼ互角に戦っていました。確かに、1955 年に、英国の電波天文学者で後のノーベル賞受賞者であるマーティン・ライルは、宇宙周縁部の弱い電波源の密度が銀河系付近よりも高いことを発見しました。彼は、これらの結果は定常状態宇宙論と矛盾していると述べた。しかし、数年後、彼の同僚は、ライルが密度の違いを誇張したと結論付けたため、疑問は未解決のままでした。

しかし、20歳目にして、ホイルの宇宙論は急速に色褪せ始めた。この時までに、天文学者らはハッブル定数が以前の推定値よりも一桁小さいことを証明しており、これにより宇宙の推定年齢を 100 ～ 200 億年に引き上げることが可能になりました。現代の評価- 137 億年 ± 2 億)。そして 1965 年に、アルノペンジアスとロバートウィルソンは、アルファーとハーマンが予測した放射線を検出し、それによってすぐに多くの支持者をビッグバン理論に引き寄せました。

40 年間、この理論は標準的な一般に受け入れられた宇宙論モデルと考えられてきました。さまざまな年齢層の競争相手もいるが、ホイルの理論を真剣に受け止める人はもういない。ホイルとボンディとゴールドの両者がその可能性について書いた、銀河の膨張が加速しているという発見（1999年）でさえ、彼女の助けにはならなかった。彼女の時間は取り返しのつかないほど過ぎてしまったのです。

ニュース発表

« 私にとって人生は、自分のコントロールの及ばないことや、おそらく不可能なことを心配するには短すぎます。そこで彼らはこう尋ねます。「地球がブラックホールに飲み込まれたり、時空の歪みが生じたらどうなるでしょうか。これは懸念の理由でしょうか?」私の答えはノーです。なぜなら、それが私たちの時空の場所に到達したときにのみ私たちはそれについて知ることになるからです。自然が適切な時期であると判断したとき、私たちは衝撃を受けます。それが音速であれ、光速であれ、電気インパルスの速度であれ、私たちは常に周囲の情報とそれを受け取る能力との間の時間遅延の犠牲者になります。»

ニール・ドグラース・タイソン

時間とは驚くべきものです。それは私たちに過去、現在、未来を与えてくれます。時間の経過により、私たちの周りにあるすべてのものには年齢があります。たとえば、地球の年齢は約45億年です。ほぼ同じ年前、私たちに最も近い星である太陽も火災を起こしました。この数字が衝撃的だと思われる場合は、私たちのネイティブの太陽系が形成されるはるか前に、私たちが住んでいる銀河である天の川が出現したことを忘れないでください。科学者による最新の推定によると、天の川銀河の年齢は136億年です。しかし、銀河にも過去があり、宇宙は単純に広大であるため、さらに詳しく調べる必要があることは確かです。そしてこの考察は必然的に、すべてが始まった瞬間、つまりビッグバンに私たちを導きます。

アインシュタインと宇宙

人々の周囲の世界に対する認識は常に曖昧でした。私たちの周りに巨大な宇宙が存在することをまだ信じていない人もいれば、地球が平らであると信じている人もいます。 20 世紀に科学が進歩するまでは、世界の起源についてはいくつかのバージョンしかありませんでした。宗教的見解の支持者は神の介入と高次の精神の創造を信じていましたが、同意しない者は火刑に処されることもありました。宇宙だけでなく私たちの周りの世界も無限であると信じている側面もありました。

1917 年にアルバートアインシュタインが生涯の仕事である一般相対性理論を一般の人々に向けて講演したとき、多くの人にとってすべてが変わりました。 20 世紀の天才は、導き出した方程式を使用して、時空と空間の問題を結び付けました。その結果、宇宙は有限で大きさは変わらず、正円筒の形をしていることが分かりました。

技術的進歩の黎明期には、アインシュタインの理論は 20 世紀初頭の偉大な頭脳にとってさえ複雑すぎたため、誰もアインシュタインの言葉に反論できませんでした。他に選択肢がなかったため、円筒形の静止宇宙のモデルが、私たちの世界の一般に受け入れられたモデルとして科学界に受け入れられました。しかし、彼女は数年しか生きられませんでした。物理学者が回復できた後、科学的作品アインシュタインはそれらを分解し始めましたが、これと並行して、相対性理論とドイツの科学者の特定の計算に調整が加えられ始めました。

1922年、イズベスチヤ物理学誌にロシアの数学者アレクサンダー・フリードマンの論文が突然掲載され、その中で彼はアインシュタインは間違いであり、私たちの宇宙は静止していない、と述べた。フリードマン氏は、空間の曲率半径の不変性に関するドイツの科学者の発言は誤解であり、実際には半径は時間とともに変化すると説明しています。したがって、宇宙は膨張しなければなりません。

さらに、ここでフリードマンは、宇宙が正確にどのように膨張するかについての仮説を示しました。合計 3 つのモデルがありました。脈動する宇宙 (宇宙が時間内に一定の周期で膨張および収縮するという仮定)。質量から膨張する宇宙と、点から膨張する 3 番目のモデルです。当時、神の介入を除いて他のモデルは存在しなかったため、物理学者はすぐに 3 つのフリードマンモデルすべてに注目し、独自の方向で開発を開始しました。

このロシアの数学者の研究はアインシュタインを少し刺激し、同じ年に彼はフリードマンの研究についてのコメントを表明した記事を発表した。その中で、ドイツの物理学者が自分の計算の正しさを証明しようとしています。これはかなり説得力に欠けることが判明し、自尊心への打撃による痛みが少し和らぐと、アインシュタインはイズベスティア物理学誌に別のメモを発表し、その中で次のように述べた。

« 前回の投稿で上記の作品を批判しました。しかし、クルトコフ氏から私に伝えられたフリードマン氏の手紙から確信したように、私の批判は計算上の誤りに基づいていた。フリードマンの結果は正しく、新たな光を当てていると思う».

科学者たちは、私たちの宇宙の外観と存在に関する 3 つのフリードマンモデルはすべて完全に論理的であり、生命への権利を持っていることを認めざるを得ませんでした。 3 つすべてが明確な数学的計算で説明されており、質問はありません。一つのことを除いて：なぜ宇宙は膨張し始めるのでしょうか？

世界を変えた理論

アインシュタインとフリードマンの発言により、科学界は宇宙の起源に真剣に疑問を抱くようになりました。おかげで一般理論相対性理論には私たちの過去に光を当てるチャンスがあり、物理学者たちはそれを活用することに失敗しませんでした。私たちの世界のモデルを提示しようとした科学者の一人は、ベルギーの天体物理学者ジョルジュ・ルメートルでした。ルメートルがカトリックの司祭であったことは注目に値しますが、同時に数学と物理学を学んでいましたが、これは現代ではまったくナンセンスです。

ジョルジュ・ルメートルはアインシュタインの方程式に興味を持ち、その助けを借りて、私たちの宇宙は、核分裂が始まる前に時空の外にあった特定の超粒子の崩壊の結果として出現したと計算することができました。爆発。同時に物理学者たちは、ルメートルが宇宙の誕生に初めて光を当てた人物であると指摘している。

超原子の爆発の理論は科学者だけでなく、聖書の新しい解釈を考え出さなければならなかった現代の科学的発見に非常に不満を抱いていた聖職者にも適していました。ビッグバンは宗教と大きな衝突をしませんでしたが、おそらくこれは、科学だけでなく神への奉仕にも人生を捧げたルメートル自身の生い立ちが影響しているのでしょう。

1951年11月22日、教皇ピウス12世は、ビッグバン理論は世界の起源に関する聖書やカトリックの教義と矛盾しないとの声明を発表した。正統派聖職者もこの理論を肯定的に見ていると述べた。この理論は他の宗教の信者にも比較的中立的に受け入れられており、中には自分たちの経典にビッグバンへの言及があるとさえ言う人もいた。

しかし、理論という事実にもかかわらず、ビッグバンは現在一般に受け入れられている宇宙論モデルですが、多くの科学者を行き詰まりに導いています。一方では、超粒子の爆発は現代物理学の論理に完全に適合しますが、他方では、そのような爆発の結果として、主に重金属、特に鉄だけが形成される可能性があります。しかし、結局のところ、宇宙は主に超軽量ガス、水素とヘリウムで構成されています。何かが合わなかったので、物理学者は世界の起源の理論に取り組み続けました。

当初、「ビッグバン」という用語は存在しませんでした。ルメートルと他の物理学者は「動的進化モデル」という退屈な名前だけを提供したが、それは学生たちのあくびを引き起こした。 1949 年になって初めて、イギリスの天文学者で宇宙学者のフロイト・ホイルは、講演の一つで次のように述べました。

「この理論は、宇宙が一度の強力な爆発の過程で生じ、したがって有限な時間しか存在しないという仮定に基づいています...ビッグバンというこの考えは、私にはまったく満足できないもののように思えます。」.

それ以来、この用語は科学界や宇宙の構造に関する一般の人々の理解の中で広く使用されるようになりました。

水素とヘリウムはどこから来たのでしょうか?

軽元素の存在は物理学者を困惑させており、ビッグバン理論の多くの支持者がその源を見つけようと試みました。 1948年にレニングラードの優秀な科学者ゲオルギイ・ガモフがついにこの情報源を確立することができるまで、長年にわたって大きな成功を収めることができませんでした。ガモフはフリードマンの生徒の一人だったので、先生の理論の展開を喜んで引き受けました。

ガモフは、宇宙の生命を逆方向から想像しようとし、宇宙が膨張し始めた瞬間に時間を巻き戻しました。ご存知のとおり、その時までに人類はすでに熱核融合の原理を発見していたため、フリードマン・ルメートル理論は生存権を獲得しました。物理法則によれば、宇宙が非常に小さかった頃、宇宙は非常に高温でした。

ガモフによれば、ビッグバンのわずか 1 秒後に、新しい宇宙の空間は相互作用を始めた素粒子で満たされました。この結果、ヘリウムの熱核融合が始まり、オデッサの数学者ラルフ・アッシャー・アルファーがガモフのために計算することができた。アルファー氏の計算によると、ビッグバンのわずか5分後に宇宙はヘリウムで満たされ、ビッグバン理論の頑強な反対者でさえもこのモデルを宇宙論の主要なモデルとして受け入れざるを得なくなるほどだった。ガモフはその研究により、宇宙を研究する新しい方法を切り開いただけでなく、ルメートルの理論を復活させました。

科学者に対する固定観念にもかかわらず、彼らがロマン主義であることを否定することはできません。ガモフは、1948 年の著書「化学元素の起源」の中で、ビッグバン時の超高温宇宙の理論に関する研究を発表しました。彼は同僚の助手として、ラルフ・アッシャー・アルファーだけでなく、アメリカの天体物理学者で将来のノーベル賞受賞者であるハンス・ベーテも指名した。本の表紙では、アルフェル、ベーテ、ガモフであることが判明しました。何か思い出しませんか？

しかし、ルメートルの作品に第二の命が与えられたという事実にもかかわらず、物理学者たちは依然として、ビッグバンの前に何が起こったのかという最も興味深い質問に答えることができませんでした。

アインシュタインの静止宇宙を復活させようとする試み

すべての科学者がフリードマン・ルメートル理論に同意したわけではありませんが、それにもかかわらず、大学では一般に受け入れられている宇宙論モデルを教えなければなりませんでした。たとえば、「ビッグバン」という用語を自ら作った天文学者のフレッド・ホイルは、実際には爆発はないと信じており、それを証明することに人生を捧げました。
ホイルは、現代において現代世界に対する別の見方を提供する科学者の一人となった。ほとんどの物理学者はそのような人々の発言に対してかなり冷静ですが、彼らはまったく気にしません。

ガモフと彼のビッグバン理論の理論的根拠を恥じさせるために、ホイルと同じ考えを持つ人々は、宇宙の起源に関する独自のモデルを開発することにしました。彼らは宇宙が静止しているというアインシュタインの提案を基礎として、宇宙膨張の別の理由を示唆するいくつかの調整を加えました。

ルメートル・フリードマン理論の支持者が、宇宙は無限小の半径を持つ単一の超高密度の点から生じたと信じているならば、ホイルは、物質は互いに遠ざかる銀河の間に位置する点から絶えず形成されていると示唆した。最初のケースでは、無数の星や銀河を含む宇宙全体が 1 つの粒子から形成されました。別のケースでは、1 つの点から 1 つの銀河を生成するのに十分な物質が提供されます。

ホイルの理論の失敗は、数千億の星を含む銀河を作り続けているまさにその物質がどこから来るのかを彼が決して説明できなかったことである。実際、フレッド・ホイルは、宇宙の構造はどこからともなく現れると誰もが信じていると示唆しました。多くの物理学者がホイル理論の解決策を見つけようとしたという事実にもかかわらず、誰もこれに成功することができず、数十年後、この提案は妥当性を失いました。

答えのない質問

実際、ビッグバン理論も多くの疑問に対する答えを与えてくれません。たとえば、心の中では普通の人私たちの周りのすべての物質がかつて原子よりもはるかに小さい 1 つの特異点に圧縮されていたという事実を私たちは理解できません。そして、なぜこの超粒子は爆発反応が始まるほど加熱されたのでしょうか。

20 世紀半ばまで、宇宙膨張理論は実験的に確認されたことはなく、したがって世界には普及していませんでした。教育機関。 1964 年、2 人のアメリカの天体物理学者、アルノペンジアスとロバートウィルソンが星空からの無線信号を研究することに決めたとき、すべてが変わりました。

天体の放射をスキャンすることによって、すなわちカシオペア A (の 1 つ) 最も強力な情報源星空の電波放射）、科学者は、放射に関する正確なデータの記録を常に妨げる外来ノイズに気づきました。彼らがどこにアンテナを向けても、一日のどの時間帯に研究を始めても、この特徴と一定のノイズが常に彼らにつきまとっていました。ある程度の怒りを感じたペンジアスとウィルソンは、この騒音の原因を調査することを決意し、予想外に世界を変える発見をしました。彼らは、同じビッグバンのエコーである遺物の放射線を発見しました。

私たちの宇宙は、一杯の熱いお茶よりもはるかにゆっくりと冷却しており、CMBは、私たちの周囲の物質はかつて非常に高温でしたが、現在は宇宙の膨張に伴って冷却されていると示唆しています。こうして、冷たい宇宙に関するすべての理論は置き去りにされ、最終的にビッグバン理論が採用されました。

ゲオルギー・ガモフは著書の中で、宇宙ではビッグバン以来存在する光子を検出することが可能であり、必要なのはより高度な技術機器だけであると仮定しました。残された放射線は、宇宙の存在に関する彼のすべての仮定を裏付けました。私たちの宇宙の年齢が約140億年であることを立証することもできました。

いつものように、理論が実際に証明されると、すぐに多くの異なる意見が生じます。物理学者の中には、宇宙マイクロ波背景放射の発見をビッグバンの証拠として嘲笑する人もいた。ペンジアスとウィルソンは歴史的な発見でノーベル賞を受賞しましたが、彼らの研究に反対する人もたくさんいました。

宇宙の膨張の失敗を支持する主な議論は、矛盾と論理的誤りでした。たとえば、爆発は宇宙のすべての銀河を均等に加速しましたが、アンドロメダ銀河は私たちから遠ざかるどころか、ゆっくりと、しかし確実に天の川銀河に近づいています。科学者たちは、これら 2 つの銀河がわずか 40 億年以内に衝突すると示唆しています。残念ながら、この疑問やその他の疑問に答えるには人類はまだ若すぎます。

平衡理論

今日、物理学者は宇宙の存在についてさまざまなモデルを提案しています。彼らの多くは単純な批判にすら耐えられないが、生きる権利を受け取っている人もいる。

20世紀末、アメリカの天体物理学者エドワード・トライオンは、オーストラリア人の同僚ウォーレン・ケリーとともに、基礎的な理論を提案した。ニューモデル Universe は、それぞれ独立して実行しました。科学者たちは、宇宙のすべてはバランスがとれているという前提に基づいて研究を行っています。質量はエネルギーを破壊し、その逆も同様です。この原理はゼロ宇宙の原理と呼ばれるようになりました。この宇宙内では、物質の引力と斥力が均衡する銀河間の特異点で新しい物質が発生します。

ゼロ宇宙の理論は、しばらくして科学者たちが暗黒物質の存在を発見することができたので、粉々に引き裂かれることはありませんでした。暗黒物質は、私たちの宇宙のほぼ 27% を構成する神秘的な物質です。宇宙のさらに 68.3% は、より神秘的で神秘的な暗黒エネルギーで構成されています。

宇宙の膨張を加速させているのは、暗黒エネルギーの重力効果であると考えられています。ちなみに、宇宙における暗黒エネルギーの存在はアインシュタイン自身によって予測されており、彼は方程式の何かが収束せず、宇宙を静止させることはできないと見抜きました。したがって、彼は方程式に宇宙定数、つまりラムダ項を導入し、そのために彼は繰り返し自分を責め、自分を憎みました。

たまたま、宇宙の理論的に空の空間が、アインシュタインのモデルを実行に移す特別な場で満たされているということが起こりました。冷静な考えと当時の論理によれば、そのような場の存在はまったく不可能でしたが、実際にはドイツの物理学者は単に暗黒エネルギーを説明する方法を知りませんでした。

***
私たちの宇宙がどのように、そして何から誕生したのかは決して分からないかもしれません。その存在前に何が起こったのかを立証することはさらに困難になるだろう。人々は説明できないものを恐れる傾向があるため、人類は終末まで、私たちの周囲の世界の創造における神の影響を信じることになる可能性があります。

12. ビッグバンの原因は何ですか?

創発のパラドックス

私がこれまでに読んだ宇宙論の講義の中で、ビッグバンの原因についての疑問なしに完了したものはありませんでした。数年前まで、私は本当の答えを知りませんでした。今日では彼は有名になったと思います。

基本的に、この質問にはベールに包まれた形で 2 つの質問が含まれています。まず、なぜ宇宙の発展が爆発から始まったのか、そもそも何が爆発を引き起こしたのかを知りたいと思います。しかし、純粋に物理的な問題の背後には、哲学的な性質の別のより深い問題が横たわっています。ビッグバンが空間と時間の出現を含む宇宙の物理的存在の始まりを示すものであるならば、私たちはどのような意味でそれについて語ることができるでしょうか。 何が原因だったのかこの爆発？

物理学の観点から見ると、巨大な爆発の結果として宇宙が突然出現することは、ある意味逆説的であるように思えます。世界を支配する 4 つの相互作用のうち、宇宙規模で現れるのは重力だけであり、私たちの経験が示すように、重力には引力の性質があります。しかし、宇宙誕生のきっかけとなった爆発には信じられないほどの斥力が必要だったようで、その斥力は宇宙を引き裂き、膨張を引き起こす可能性があり、それは今日まで続いています。

これは奇妙に思えます。なぜなら、もし宇宙で重力が優勢であれば、宇宙は膨張するのではなく、収縮するはずだからです。実際、重力の引力により、物理的物体は爆発するのではなく収縮します。たとえば、非常に密度の高い星は自重に抵抗する能力を失い崩壊し、中性子星やブラックホールを形成します。宇宙のごく初期の物質の圧縮度は、最も密度の高い星の圧縮度よりもかなり高かった。したがって、なぜ原始宇宙は最初からブラックホールに崩壊しなかったのかという疑問がしばしば生じます。

これに対する通常の答えは、一次爆発は単純に次のように解釈されるべきであるということです。初期状態。この答えは明らかに満足のいくものではなく、混乱を引き起こします。もちろん、重力の影響で、宇宙の膨張率は最初から減少し続けていますが、誕生の瞬間、宇宙は無限の速度で膨張していました。爆発はいかなる力によっても引き起こされたのではなく、宇宙の発展は単に膨張から始まりました。もし爆発がそれほど強くなかったなら、重力によって物質の拡散はすぐに阻止されただろう。その結果、膨張が圧縮に変わり、壊滅的な事態となり、宇宙はブラックホールのようなものになってしまいます。しかし実際には、爆発は非常に「大きい」ものであることが判明し、そのため宇宙は自らの重力を克服して、一次爆発の力によって永遠に膨張し続けるか、少なくとも半年間存在し続けることが可能となった。何十億年もの間、圧縮されて忘却の彼方に消えていきました。

この伝統的な図の問題は、ビッグバンをまったく説明していないことです。宇宙の基本的な性質は、受け入れられた初期条件として再び単純に解釈されます。 このために(この場合); 本質的には、ビッグバンが起こったことだけが述べられています。なぜ爆発の力が別のものではなく、そのままのものだったのかはまだ不明です。宇宙が今より速く膨張しているのに、なぜ爆発はさらに強力にならなかったのでしょうか? また、なぜ現在宇宙がこれよりもゆっくりと膨張していないか、あるいは全く収縮していないのかと疑問に思う人もいるかもしれない。もちろん、爆発の威力が十分でなければ、宇宙はすぐに崩壊し、そのような質問をする人がいなくなるでしょう。しかし、そのような推論が説明として受け取られる可能性は低いです。

さらに詳しく分析すると、宇宙の起源のパラドックスは実際には上記よりもさらに複雑であることがわかります。慎重な測定により、宇宙の膨張率は、宇宙が自らの重力に打ち勝って永久に膨張できる臨界値に非常に近いことが示されています。この速度がもう少し遅ければ宇宙の崩壊が起こり、もう少し速ければとっくの昔に宇宙物質は完全に消滅していたでしょう。宇宙の膨張率が、起こり得る 2 つの大災害の間のこの非常に狭い許容範囲内にどの程度正確に収まるかを知ることは興味深いでしょう。膨張パターンがすでに明確に定義されている 1 秒に相当する時間の時点で、膨張率が実際の値と 10^-18 以上異なる場合、これは微妙なバランスを完全に崩すのに十分です。したがって、宇宙の爆発の力は、ほとんど信じられないほどの精度で重力相互作用に対応します。したがって、ビッグバンは単なる遠く離れた爆発ではなく、非常に特殊な力の爆発でした。で従来のバージョンビッグバン理論は、爆発そのものの事実だけでなく、爆発が非常に気まぐれな形で起こったという事実も受け入れなければなりません。言い換えれば、初期条件は非常に特殊であることがわかります。

宇宙の膨張率は、明らかな宇宙の謎の 1 つにすぎません。もう 1 つは、宇宙における宇宙の膨張のイメージに関連しています。現代の観察によると。大規模な宇宙は、物質とエネルギーの分布という点で非常に均一です。宇宙の全体的な構造は、地球から観察しても、遠くの銀河から観察してもほぼ同じです。銀河は同じ平均密度で空間に点在しており、各点から見ると宇宙はどの方向でも同じように見えます。宇宙を満たす一次熱放射は地球に降り注ぎ、10-4 以上の精度で全方向に同じ温度を持ちます。この放射線は私たちに届くまで、宇宙を何十億光年も伝わり、均一性からの逸脱の痕跡を残します。

宇宙の大規模な均一性は、宇宙が膨張するにつれて維持されます。したがって、膨張は非常に高い精度で均一かつ等方的に発生します。これは、宇宙の膨張率がどの方向でも同じであるだけでなく、異なる領域でも一定であることを意味します。宇宙がある方向に他の方向よりも速く膨張している場合、その方向の背景の熱放射の温度が低下し、地球から見える銀河の運動のパターンが変化するでしょう。したがって、宇宙の進化は、単に厳密に定義された力の爆発から始まったわけではありません。爆発は明らかに「組織化された」ものでした。すべての点およびすべての方向にまったく同じ力が同時に発生します。

このような同時かつ調整された噴火が純粋に自然発生的に発生する可能性は非常に低く、この疑念は、原始宇宙のさまざまな領域が互いに因果関係がないという事実によって、伝統的なビッグバン理論内で強化されています。実際のところ、相対性理論によれば、物理的効果は光より速く伝播することはできません。したがって、空間の異なる領域は、一定の時間が経過した後にのみ相互に因果的に接続されるようになります。たとえば、爆発の 1 秒後、光はわずか 1 光秒の距離を移動できます。これは 30 万 km に相当します。遠く離れた宇宙の領域は、1 秒経過しても互いに影響を与えません。しかし、この瞬間までに、私たちが観測した宇宙の領域はすでに少なくとも直径10の14の乗った空間を占めていました。その結果、宇宙は互いに因果関係のない約 10^27 の領域で構成されていましたが、それぞれの領域はまったく同じ速度で膨張しました。今日でも、星空の反対側から来る熱宇宙放射を観察すると、私たちは非常に長い距離を隔てた宇宙の領域のまったく同じ「指紋」を記録します。これらの距離は、光が届く距離の 90 倍以上であることが判明しています。熱放射が放出された瞬間から伝わる可能性があります。

明らかに互いに接続されていなかった空間のさまざまな領域のこのような驚くべき一貫性をどのように説明するのでしょうか? このような同様の行為はどのようにして生じたのでしょうか? 従来の答えは、ここでも特別な初期条件に言及しています。一次爆発の特性が例外的に均一であることは、単に事実として考えられています。これが宇宙の誕生の仕方です。

小さなスケールでは宇宙は決して均一ではないと考えると、宇宙の大規模な均一性はさらに神秘的に見えます。個々の銀河や銀河団の存在は、厳密な均一性からの逸脱を示しており、この逸脱は規模や大きさにおいてもどこでも同じです。重力は物質の初期の蓄積を拡大する傾向があるため、銀河の形成に必要な不均一性の程度は、ビッグバン当時は現在よりもはるかに小さかった。しかし、ビッグバンの初期段階にはまだわずかな不均一性があったに違いなく、そうでなければ銀河は決して形成されなかったでしょう。古いビッグバン理論では、これらの初期の不連続性も「初期条件」に起因すると考えられていました。したがって、宇宙の発展は完全に理想的な状態からではなく、極めて異常な状態から始まったと考えざるを得ませんでした。

これまで述べてきたことはすべて次のように要約できます。宇宙の唯一の力が重力であるならば、ビッグバンは「神から送られた」と解釈されるべきです。原因がなく、初期条件が与えられている。また、顕著な一貫性も特徴です。現在の構造に到達するには、宇宙は最初から適切に進化しなければなりません。これは宇宙の起源の矛盾です。

反重力を検索する

宇宙の起源の矛盾は近年になってようやく解決されました。しかし、その解決策の基本的な考え方は、遠い歴史、宇宙膨張理論もビッグバン理論も存在しなかった時代まで遡ることができます。ニュートンはまた、宇宙の安定性の問題がいかに難しいかを理解していました。星はサポートなしでどのようにして宇宙でその位置を維持するのでしょうか? 重力の普遍的な性質により、星は互いに引き寄せられ、互いに近いクラスターになるはずです。

この不条理を避けるために、ニュートンは非常に興味深い推論に頼りました。宇宙が自らの重力で崩壊した場合、各星は星団の中心に向かって「落下」することになる。しかし、宇宙が無限であり、星が平均して無限の空間に均一に分布していると仮定してください。この場合、すべての星がそこに向かって落ちることができる共通の中心はまったく存在しないでしょう - 結局のところ、無限の宇宙すべてのエリアは同一です。どの星も、その近隣すべての星からの重力の影響を経験しますが、さまざまな方向でのこれらの影響が平均化されるため、特定の星を星群全体に対して特定の位置に移動させる傾向のある力は生じません。。

アインシュタインがニュートンの 200 年後に新しい重力理論を作成したとき、彼はまた、宇宙がどのようにして崩壊を回避したかという問題にも困惑しました。彼の宇宙論に関する最初の著作は、ハッブルが宇宙の膨張を発見する前に出版されました。したがって、アインシュタインは、ニュートンと同様に、宇宙は静的であると仮定しました。しかし、アインシュタインは、より直接的な方法で宇宙の安定性の問題を解決しようとしました。彼は、宇宙自体の重力の影響による崩壊を防ぐためには、重力に抵抗できる別の宇宙力が必要であると信じていました。重力を相殺するには、この力は引力ではなく斥力でなければなりません。この意味では、そのような力は「反重力」と呼ぶことができますが、宇宙の反発力について話す方が正確です。この場合、アインシュタインは単にこの力を恣意的に発明したわけではありません。彼は、重力場の方程式に追加の項を導入することが可能であり、それが望ましい特性を持つ力の出現につながることを示しました。

重力に対抗する斥力という考え自体は非常に単純かつ自然であるという事実にもかかわらず、実際には、そのような力の特性は完全に珍しいことが判明します。もちろん、そのような力は地球上では発見されておらず、数世紀にわたる惑星天文学の過程でもその兆候は発見されていません。明らかに、宇宙の反発力が存在する場合、近距離では目立った影響はありませんが、その大きさは天文学的スケールで大幅に増加します。この挙動は、力の性質を研究するこれまでのすべての経験と矛盾します。つまり、力は通常、近距離では強く、距離が増すにつれて弱まります。したがって、電磁相互作用と重力相互作用は、逆二乗則に従って継続的に減少します。しかし、アインシュタインの理論では、このような完全な力を持った力が自然に現れました。珍しい性質.

アインシュタインによってもたらされた宇宙の反発力を自然界の 5 番目の相互作用と考えるべきではありません。それはまさに重力そのものの奇妙な現れです。異常な特性を持つ媒体が重力場の発生源として選択された場合、宇宙の反発の影響が通常の重力に起因する可能性があることを示すことは難しくありません。通常の物質媒体 (たとえば、気体) は圧力を及ぼしますが、ここで説明する仮想媒体は圧力を及ぼす必要があります。 ネガティブプレッシャーや緊張。私たちが話していることをより明確に想像するために、容器をそのような宇宙物質で満たすことができたと想像してみましょう。そして、通常の気体とは異なり、仮想宇宙環境は容器の壁に圧力をかけず、壁を容器の内側に引き込む傾向があります。

したがって、宇宙の反発は、重力を補完する一種、またはすべての空間を満たし負圧を持つ目に見えないガス媒体に固有の通常の重力による現象として考えることができます。一方では、負圧が容器の壁の内側に吸い込まれているように見え、他方では、この仮想環境が銀河を引き寄せるのではなく反発しているという事実に矛盾はありません。結局のところ、反発は機械的作用ではなく、環境の重力によって引き起こされます。いずれの場合も、機械的な力は圧力そのものではなく圧力差によって生成されますが、仮想媒体がすべての空間を満たすと仮定されます。制限することはできません容器の壁そして、この環境にいる観察者はそれを有形物質としてまったく認識しないでしょう。スペースは完全に空っぽに見えます。

仮説環境のこのような驚くべき特徴にもかかわらず、アインシュタインはかつて、重力引力と彼が発見した宇宙の斥力との間でバランスが保たれている満足のいく宇宙モデルを構築したと宣言しました。アインシュタインは、単純な計算を使用して、宇宙の重力のバランスをとるために必要な宇宙斥力の大きさを推定しました。彼は、この反発が太陽系内 (さらには銀河系スケールでも) で実験的に検出できないほど小さいに違いないことを確認することができました。しばらくの間、長年の謎が見事に解決されたかに見えました。

しかし、その後、状況は悪化しました。まず第一に、平衡安定性の問題が生じた。アインシュタインの基本的な考え方は、引力と斥力の厳密なバランスに基づいていました。しかし、厳密なバランスの多くの場合と同様に、微妙な細部も明らかになりました。たとえば、アインシュタインの静止宇宙が少し膨張した場合、重力引力 (距離とともに弱まる) はわずかに減少し、宇宙の反発力 (距離とともに増加) はわずかに増加します。これにより、斥力に有利な不均衡が生じ、すべてを征服する斥力の影響下で宇宙がさらに無制限に拡大することになります。逆に、アインシュタインの静止した宇宙がわずかに縮小した場合、重力が増加し、宇宙の反発力が減少し、引力に有利な不均衡が生じ、その結果、永遠に続くことになるでしょう。より速い圧縮、そして最終的にはアインシュタインが避けたと思っていた崩壊に至る。したがって、ほんのわずかな逸脱でも厳密なバランスは崩れ、宇宙の大惨事は避けられないでしょう。

その後、1927 年にハッブルは銀河の後退 (つまり、宇宙の膨張) 現象を発見しました。これにより、平衡の問題は無意味になりました。宇宙は圧縮や崩壊の危険にさらされていないことが明らかになった。 拡大しています。もしアインシュタインが宇宙の反発力の探索に気をとられていなければ、理論的にはおそらくこの結論に達し、天文学者たちが宇宙を発見するよりもはるかに10年早く宇宙の膨張を予測していたであろう。このような予測は間違いなく、最も優れた予測の 1 つとして科学史に残るでしょう (このような予測は、1922 年から 1923 年にペトログラード大学教授 A. A. フリードマンによってアインシュタインの方程式に基づいて行われました)。結局、アインシュタインは宇宙の反発を怒って放棄しなければなりませんでしたが、後に彼はそれを「人生最大の間違い」と考えました。ただし、これで話は終わりではありません。

アインシュタインは、静的な宇宙という存在しない問題を解決するために宇宙の反発力を発明しました。しかし、いつものことですが、一度魔神が瓶から出てしまうと、元に戻すことはできません。宇宙の力学は引力と斥力の間の対立によるものであるかもしれないという考えは生き続けました。そして、天文観測では宇宙反発の存在の証拠は得られませんでしたが、その存在がないことを証明することもできませんでした。単に、それが発現するには弱すぎる可能性があります。

アインシュタインの重力場方程式では斥力の存在が認められていますが、その大きさには制限がありません。アインシュタインは苦い経験から、この力の大きさは厳密にゼロに等しいと仮定し、それによって反発力を完全に排除する権利を持っていました。しかし、これは決して必要なことではありませんでした。一部の科学者は、方程式の中で反発力を維持する必要があることに気づきましたが、これは元の問題の観点からはもはや必要ではありませんでした。これらの科学者たちは、適切な証拠がない限り、斥力がゼロであると信じる理由はないと信じていました。

膨張する宇宙のシナリオで斥力を維持した場合の結果を追跡することは難しくありませんでした。宇宙がまだ圧縮状態にある発達の初期段階では、反発力は無視できます。この段階では、地球の重力が垂直上向きに発射されたロケットの動きを遅くするのと完全に類似して、重力の引力によって膨張速度が遅くなります。宇宙の進化が急速な膨張から始まったことを説明なしに受け入れるなら、重力は膨張率を現在観測されている値まで絶えず減少させるはずです。時間の経過とともに、物質が消散すると、重力の相互作用が弱まります。その代わり、銀河が互いに遠ざかり続けるにつれて、宇宙の反発力が増大します。最終的には、斥力が重力を克服し、宇宙の膨張率は再び増加し始めるでしょう。このことから、宇宙では宇宙の反発が支配的であり、膨張は永遠に続くと結論付けることができます。

天文学者らは、膨張が最初に減速し、その後再び加速するという宇宙のこの異常な挙動が、観察される銀河の動きに反映されるはずであることを示した。しかし、時折反対の主張がなされるものの、最も注意深く天体観測を行っても、そのような行動の説得力のある証拠は明らかにされなかった。

興味深いのは、宇宙が膨張するという考えが、ハッブルがこの現象を実験的に発見する何年も前の1916年にオランダの天文学者ヴィレム・デ・シッターによって提唱されたことです。デ・シッターは、宇宙から通常の物質が除去されれば、重力は消滅し、宇宙では斥力が支配するようになる、と主張した。これは宇宙の膨張を引き起こすでしょう - 当時、これは革新的なアイデアでした。

観察者は、負圧を伴うこの奇妙な目に見えない気体媒体を知覚することができないため、単に空の空間が拡大しているように見えるだけです。膨張は、試験体をさまざまな場所に吊り下げ、互いの距離を観察することで検出できます。空きスペースを拡張するというアイデアは、当時は珍奇なものと考えられていましたが、後で説明するように、それは予言的であることが判明しました。

では、この話からどのような結論が導き出せるでしょうか? 天文学者が宇宙の反発を検出していないという事実は、自然界に宇宙の反発が存在しないことの論理的な証拠としてまだ機能しません。単純に弱すぎて現代の機器では検出できない可能性が十分にあります。観測の精度には常に限界があるため、この電力の上限のみを推定できます。これに対して、美的観点から見ると、宇宙の反発がなければ自然法則はより単純に見えるだろう、という反論もあるかもしれません。このような議論は何ら明確な結果をもたらさないまま何年も続いたが、突然この問題が全く新しい角度から見られるようになり、予想外の関連性が与えられた。

インフレ: ビッグバンの説明

前のセクションで、宇宙の反発力が存在する場合、それは非常に弱いはずで、ビッグバンに重大な影響を及ぼさないだろうと述べました。ただし、この結論は、反発の大きさが時間とともに変化しないという仮定に基づいています。アインシュタインの時代には、宇宙の反発が「人工」理論に導入されて以来、この意見はすべての科学者によって共有されていました。宇宙の反発が起こり得るとは誰も思いつきませんでした 呼び出される宇宙が膨張するにつれて生じるその他の物理的プロセス。もしそのような可能性が提供されていたら、宇宙論は違ったものになっていたかもしれません。特に、宇宙の進化のシナリオは除外されません。これは、進化の初期段階の極限状態で、宇宙の反発力が一瞬重力を上回り、宇宙が爆発し、その後その役割が実質的になくなったと仮定しています。ゼロに減りました。

これ大局これは、宇宙の発展の非常に初期段階における物質と力の挙動の研究に関する最近の研究から明らかになりました。巨大な宇宙反発が超大国の行動の必然的な結果であることが明らかになった。つまり、アインシュタインがドアの外に送り出した「反重力」が窓から戻ってきたのです！

宇宙の反発の新たな発見を理解する鍵は、量子真空の性質にあります。私たちは、空の空間と区別できないが、負の圧力を持つ、異常な目に見えない媒体によってそのような反発がどのように引き起こされるかを見てきました。今日、物理学者は、量子真空にはまさにこれらの特性があると信じています。

第 7 章では、真空は仮想粒子で溢れ、複雑な相互作用で飽和した、量子活動の一種の「酵素」と見なされるべきであると述べられました。量子記述の中で真空が決定的な役割を果たすことを理解することが非常に重要です。私たちが粒子と呼ぶものは、活動の海全体の表面にある「泡」のような、まれな乱れにすぎません。

70 年代の終わりに、4 つの相互作用を統合するには、真空の物理的性質に関する考え方を完全に修正する必要があることが明らかになりました。この理論は、真空エネルギーが明確に現れるわけではないことを示唆しています。簡単に言うと、原子が励起されてより高いエネルギーレベルに移動するのと同じように、真空も励起されて、さまざまなエネルギーを持つ多くの状態の 1 つになる可能性があります。これらの真空固有状態は、観察できればまったく同じに見えますが、まったく異なる特性を持っています。

まず、真空に含まれるエネルギーは、ある状態から別の状態に大量に流れます。たとえば、大統一理論では、真空の最低エネルギーと最高エネルギーの差は想像を絶するほど大きいです。これらの量の巨大なスケールを理解するために、太陽が存在する全期間 (約 50 億年) にわたって太陽が放出するエネルギーを推定してみましょう。太陽が放出するこの膨大な量のエネルギーがすべて、太陽系よりも小さい宇宙領域に含まれていると想像してみましょう。この場合に達成されるエネルギー密度は、TVO 内の真空状態に対応するエネルギー密度に近いものになります。

さまざまな真空状態は、膨大なエネルギー差に加えて、同様に巨大な圧力差に対応します。しかし、ここに「トリック」があります。これらすべてのプレッシャー - ネガティブ。量子真空は、宇宙の反発を生み出す前述の仮説環境とまったく同じように動作しますが、この場合のみ、数値的な圧力が非常に大きいため、反発はアインシュタインが静的な宇宙で平衡を維持するために必要とした力の 10^120 倍大きくなります。

ビッグバンを説明する道が開かれました。宇宙が最初、「偽」真空と呼ばれる真空の励起状態にあったと仮定しましょう。この状態では、宇宙に制御不能な急速な膨張を引き起こすほどの規模の宇宙反発が存在しました。基本的に、このフェーズでは、宇宙は前のセクションで説明した de Sitter モデルに対応します。しかし、違いは、デ・ジッターにとって、宇宙は天文学的な時間スケールで静かに拡大しているのに対し、「偽の」量子真空からの宇宙の進化における「デ・ジッター段階」は実際には静かとは程遠いということです。この場合、宇宙が占める空間の体積は、10^-34 秒 (または同じオーダーの時間間隔) ごとに 2 倍になるはずです。

このような宇宙の超膨張には、さまざまな影響があります。特性: すべての距離は指数則に従って増加します (指数関数の概念についてはすでに第 4 章で説明しました)。これは、10^-34 秒ごとに宇宙のすべての領域のサイズが 2 倍になり、その後この 2 倍化のプロセスが等比級数的に続くことを意味します。このタイプの拡張は 1980 年に初めて検討されました。 MIT（米国マサチューセッツ工科大学）のアラン・ガス氏は「インフレーション」と呼んだ。非常に急速かつ継続的に加速する膨張の結果、宇宙のすべての部分がまるで爆発したかのようにばらばらに飛び散ることが間もなく判明するでしょう。そしてこれがビッグバンです！

しかし、いずれにしてもインフレ段階は終了しなければなりません。すべての励起量子系と同様、「偽の」真空は不安定であり、崩壊する傾向があります。減衰が起こると反発力はなくなります。これは次に、インフレーションの停止と、宇宙の通常の重力への移行につながります。もちろん、この場合、宇宙はインフレーション期間中に得られた初期推力のおかげで膨張を続けることになりますが、膨張率は徐々に減少していきます。したがって、宇宙の反発から今日まで生き残っている唯一の痕跡は、宇宙の膨張の緩やかな減速です。

「インフレーションシナリオ」によれば、宇宙は物質も放射線も存在しない真空の状態から存在を始めた。しかし、たとえそれらが最初に存在していたとしても、インフレーション段階での膨大な膨張率により、その痕跡はすぐに失われます。この段階に対応する極めて短い期間で、今日観測可能な宇宙全体を占める空間領域は、陽子のサイズの 10 億分の 1 から数センチメートルまで成長しました。もともと存在していた物質の密度は事実上ゼロになります。

したがって、インフレーション段階の終わりまでに、宇宙は空で寒くなっていました。しかし、インフレが枯渇すると、宇宙は突然極度に「熱く」なりました。空間を照らすこの熱の爆発は、「偽の」真空に含まれる膨大なエネルギーの蓄えによるものです。真空状態が崩壊すると、そのエネルギーが放射線の形で放出され、宇宙は瞬時に約 10^27 K まで加熱されました。これは、GUT 内でプロセスが起こるのに十分な温度です。その瞬間から、宇宙は「熱い」ビッグバンの標準理論に従って発展しました。熱エネルギーのおかげで物質と反物質が発生し、その後宇宙は冷え始め、今日観察されているすべての元素は徐々に「凍結」し始めました。

では、難しい問題は、何がビッグバンを引き起こしたのかということです。 - インフレーション理論を使用してなんとか解決しました。空の空間は、量子真空に固有の反発力の影響下で自発的に爆発しました。しかし、謎はまだ残っています。宇宙に存在する物質と放射線の形成に影響を与えた一次爆発の巨大なエネルギーは、どこかから来たに違いありません。一次エネルギーの源を発見するまでは、宇宙の存在を説明することはできません。

宇宙ブートストラップ

英語 ブートストラップ文字通りの意味では「ひもの」を意味し、比喩的な意味では、自己一貫性、つまり素粒子のシステムにおける階層の欠如を意味します。

宇宙は巨大なエネルギーの放出の過程で誕生しました。私たちは今でもその痕跡を検出しています。これは背景の熱放射と宇宙物質（特に星や惑星を構成する原子）であり、「質量」の形で特定のエネルギーを蓄えています。このエネルギーの痕跡は、銀河の後退や天体の激しい活動にも現れます。一次エネルギーは誕生したばかりの宇宙に「春をもたらし」、今日に至るまで宇宙に電力を供給し続けています。

私たちの宇宙に生命を吹き込んだこのエネルギーはどこから来たのでしょうか? インフレーション理論によれば、これは空の空間のエネルギーであり、量子真空としても知られています。しかし、そのような答えで私たちは完全に満足できるでしょうか? 真空がどのようにしてエネルギーを獲得したのかを疑問に思うのは自然なことです。

一般に、エネルギーがどこから来るのかという質問をするとき、私たちは本質的にそのエネルギーの性質について重要な仮定をしていることになります。物理学の基本法則の 1 つは、 エネルギー保存の法則、それによってさまざまな形エネルギーは互いに変化したり変換したりできますが、エネルギーの総量は変化しません。

この法律の効果を検証できる例を挙げることは難しいことではありません。エンジンと燃料供給源があり、エンジンが発電機の駆動装置として使用され、発電機がヒーターに電力を供給するとします。燃料が燃焼すると、燃料に蓄えられている化学エネルギーが機械エネルギーに変換され、次に電気エネルギーに変換され、最後に熱エネルギーに変換されます。あるいは、モーターを使用して荷物を塔の頂上まで持ち上げ、その後荷物が自由落下すると仮定します。地面に衝突すると、ヒーターを使用した例とまったく同じ量の熱エネルギーが生成されます。実際のところ、エネルギーがどのように伝達されたり、その形がどのように変化したとしても、明らかに生成したり破壊したりすることはできません。エンジニアは、この法則を日常業務で使用します。

エネルギーが生み出すことも破壊することもできないとしたら、一次エネルギーはどのようにして生まれるのでしょうか? それは単に最初の瞬間に注入されるだけではありませんか (一種の新しい初期条件が想定されます) このために）？もしそうなら、なぜ宇宙には他の量のエネルギーではなく、このエネルギーが含まれているのでしょうか? 観測可能な宇宙には約 10^68 J (ジュール) のエネルギーがあります。たとえば、10^99 や 10^10000、あるいはその他の数値ではないでしょうか?

インフレーション理論は、この謎について考えられる科学的説明の 1 つを提供します。この理論によると。宇宙の始まりには事実上エネルギーがゼロでしたが、最初の 10^32 秒で、巨大なエネルギー全体を生命を吹き込むことに成功しました。この奇跡を理解する鍵は、通常の意味でのエネルギー保存則が成り立つという驚くべき事実にあります。 適用できない広がる宇宙へ。

本質的に、私たちはすでに同様の事実に遭遇しています。宇宙膨張は宇宙の温度の低下をもたらします。したがって、初相では非常に大きかった熱放射のエネルギーが枯渇し、温度が絶対零度に近い値まで低下します。この熱エネルギーは一体どこへ行ったのでしょうか？ある意味、それは宇宙が膨張するために使い果たし、ビッグバンの力を補う圧力を提供しました。通常の液体が膨張するときは、液体のエネルギーを利用して外向きの圧力が働きます。通常の気体が膨張するとき、その内部エネルギーは仕事をするために費やされます。これとは完全に対照的に、宇宙の反発は、次のような媒体の挙動に似ています。 ネガティブプレッシャー。このような媒体が膨張すると、そのエネルギーは減少せずに増加します。これはまさに、宇宙の反発によって宇宙が加速膨張したインフレーションの時代に起こったことです。この期間を通じて、真空の総エネルギーは増加し続け、インフレーション期間の終わりには莫大な値に達しました。インフレーション期間が終了すると、蓄えられたエネルギーがすべて一気に放出され、ビッグバンの本格的な規模で熱と物質が生成されました。この瞬間から、いつもの正圧による膨張が始まり、エネルギーは再び減少し始めました。

一次エネルギーの出現は、ある種の魔法によって特徴付けられます。謎の負圧を伴う真空には、信じられないほどの能力が備わっているようです。一方では、巨大な斥力を生み出し、絶え間なく加速する膨張を確実にし、他方では、膨張自体が真空のエネルギーの増加を強制します。真空は本質的に、それ自体に大量のエネルギーを供給します。内部に不安定性があり、継続的な拡大と無制限のエネルギー生産を保証します。そして、偽りの真空の量子崩壊だけが、この「宇宙の贅沢」に制限を与えます。

真空は、自然界において魔法のような底なしのエネルギーの水差しとして機能します。原則として、インフレ拡大中に放出できるエネルギーの量に制限はありません。この声明は、何世紀も続いてきた「無からは何も生まれない」という伝統的な考え方の革命を示しています（この格言は少なくともパルメニデスの時代、つまり紀元前 5 世紀まで遡ります）。最近まで、無からの「創造」の可能性という考えは完全に宗教の範囲内にありました。特にキリスト教徒は、神が無から世界を創造したと長い間信じてきましたが、純粋に物理的な過程の結果としてすべての物質とエネルギーが自然発生する可能性があるという考えは、10年前の科学者には絶対に受け入れられないと考えられていました。

「無」から「何か」が出現するという概念全体を内的に理解できない人は、宇宙の膨張におけるエネルギーの出現を別の見方で見る機会を得ることができます。通常の重力は引力なので、物質の部分を互いに遠ざけるには、これらの部分の間に働く重力に打ち勝つ仕事をしなければなりません。これは、物体系の重力エネルギーが負であることを意味します。新しい物体がシステムに追加されると、エネルギーが放出され、その結果、重力エネルギーは「さらに負」になります。この推論をインフレーション段階の宇宙に当てはめると、形成された質量の負の重力エネルギーを「補う」のは熱と物質の出現です。この場合、宇宙全体の総エネルギーはゼロとなり、新たなエネルギーは全く発生しません。もちろん、「世界の創造」のプロセスについてのそのような見方は魅力的ですが、一般に重力に関するエネルギーの概念の地位は疑わしいことが判明しているため、それでもあまり真剣に受け止めるべきではありません。

ここで真空について述べられている内容はすべて、沼に落ちた少年が自分の靴ひもをつかんで抜け出したという物理学者に愛された物語を非常に思い出させます。自己創造する宇宙はこの少年を彷彿とさせます。宇宙もまた、自らの「ひも」によって自らを引き上げます (このプロセスは「ブートストラップ」と呼ばれます)。実際、宇宙はその物理的性質により、物質の「創造」と「再生」に必要なすべてのエネルギーを自ら励起し、それを生成する爆発も引き起こします。これが宇宙のブートストラップです。私たちが存在できるのは彼の驚くべき力のおかげです。

インフレ理論の進歩

ガスが、宇宙が初期の非常に急速な膨張を経験したという独創的なアイデアを提唱した後、そのようなシナリオが、これまで当然と思われていたビッグバン宇宙論の多くの特徴をうまく説明できることが明らかになりました。

前のセクションの 1 つで、非常にパラドックスに遭遇しました。高度な一次爆発の組織と調整。この顕著な例の 1 つは、爆発の力です。爆発の力は、宇宙の重力の大きさに正確に「調整」されていることが判明しました。その結果、私たちの時代の宇宙の膨張率は、圧縮 (崩壊) と急速な拡張を分ける境界値。インフレシナリオの決定的なテストは、そのような正確に定義された規模のビッグバンが含まれるかどうかです。それは、インフレ段階での指数関数的な拡大によるものであることがわかりました（これは最も重要です）特徴的な性質) 爆発の力は、宇宙が自らの重力に打ち勝つ能力を自動的に厳密に保証します。インフレは、実際に観察される膨張率と正確に一致する可能性があります。

もう一つの「大きな謎」は、大規模な宇宙の均一性に関係しています。それもインフレ理論に基づいて即座に解決されます。しぼんだ風船のしわが膨らませると滑らかになるのと同じように、宇宙の構造における初期の不均一性は、宇宙のサイズが大幅に増大するにつれて完全に消去されるはずです。そして、空間領域のサイズが約 10^50 倍に増加した結果、初期の乱れは無視できなくなります。

ただし、それについて話すのは間違いです満杯均一性。現代の銀河や銀河団の出現を可能にするためには、初期宇宙の構造には何らかの「でこぼこ」があったに違いありません。当初、天文学者らは銀河の存在がビッグバン後の重力の影響下での物質の蓄積によって説明できるのではないかと期待していた。ガス雲はそれ自体の重力の影響で圧縮され、その後小さな破片に分解され、さらに小さな破片に分解される必要があります。おそらく、ビッグバンの結果生じたガスの分布は完全に均一でしたが、純粋にランダムなプロセスにより、あちこちで凝縮と希薄化が発生しました。重力によってこれらの変動はさらに激化し、凝縮領域が拡大し、追加の物質が吸収されるようになりました。その後、これらの領域は圧縮され、次々に崩壊し、最小の凝縮物が星に変わりました。最終的に、構造の階層が生じました。星はグループに結合され、それらは銀河に、そして銀河団に結合されました。

残念ながら、最初からガスに不均一性がなかった場合、このような銀河形成のメカニズムは宇宙の年齢を大幅に超える時間内に機能したはずです。事実は、凝縮と断片化のプロセスが、ガスの分散を伴う宇宙の膨張と競合したということです。ビッグバン理論の元のバージョンでは、銀河の「種」が宇宙の起源の構造に最初から存在すると想定されていました。さらに、これらの初期の不均一性は、非常に特定のサイズを持つ必要があります。小さすぎてもいけません。小さすぎても形成されませんが、大きすぎてもいけません。そうでないと、高密度の領域が単純に崩壊して、巨大なブラックホールになってしまいます。同時に、なぜ銀河がまさにそのようなサイズを持っているのか、なぜ正確にこれほどの数の銀河が銀河団に含まれているのかはまったく不明です。

インフレーションシナリオは、銀河構造のより一貫した説明を提供します。基本的な考え方は非常にシンプルです。インフレーションは、宇宙の量子状態が偽の真空の不安定な状態であるという事実によるものです。最終的に、この真空状態は崩壊し、その過剰なエネルギーは熱と物質に変換されます。この瞬間、宇宙の反発力は消え、インフレーションは止まります。ただし、偽真空の減衰は、厳密にはすべての空間で同時に発生するわけではありません。他の量子プロセスと同様に、擬似真空の減衰率は変動します。宇宙の一部の領域では、他の領域よりも若干早く崩壊が起こります。これらの地域ではインフレは早期に終息するだろう。その結果、不均一性が最終状態に残ります。これらの不均一性が重力圧縮の「種」（中心）として機能し、最終的には銀河とその銀河団の形成につながった可能性があります。しかし、変動メカニズムの数学的モデル化は行われていますが、成功は非常に限られています。一般に、効果が大きすぎることが判明し、計算された不均一性が大きすぎます。確かに、使用されたモデルはあまりにも粗雑だったので、おそらくもっと巧妙なアプローチがより成功したでしょう。この理論は完全には程遠いものの、少なくとも、特別な初期条件を必要とせずに銀河の形成につながるメカニズムの性質を説明しています。

ガスのバージョンのインフレーションシナリオでは、偽の真空は最初に「真の」真空、つまり空の空間と認識される最低エネルギーの真空状態に変わります。この変化の性質は、相転移 (たとえば、気体から液体へ) によく似ています。この場合、偽の真空では、真の真空の泡がランダムに形成され、光の速度で膨張して、ますます広い空間領域を捕捉することになります。インフレーションがその「奇跡的な」働きをするのに十分な時間偽真空が存在するためには、これら 2 つの状態は、電子で起こるのと同様に、系の「量子トンネリング」が起こる必要があるエネルギー障壁によって分離されている必要があります。章）。ただし、このモデルには重大な欠点が 1 つあります。それは、偽の真空から放出されるすべてのエネルギーがバブルの壁に集中し、バブル全体にエネルギーを再分配するメカニズムがないことです。泡が衝突して融合すると、最終的にはランダムに混合された層にエネルギーが蓄積されます。その結果、宇宙には非常に強い不均一性が含まれ、大規模な均一性を生み出すためのインフレーションの働きはすべて失敗することになります。

インフレシナリオがさらに改善されたことで、これらの困難は克服されました。新しい理論では、2 つの真空状態の間にトンネリングは存在しません。その代わりに、偽の真空の減衰が非常にゆっくりと起こり、宇宙が膨張するのに十分な時間が与えられるようにパラメータが選択されます。崩壊が完了すると、擬似真空のエネルギーが「泡」の体積全体に放出され、急速に 10^27 K まで加熱されます。観測可能な宇宙全体が 1 つの泡の中に含まれていると想定されています。したがって、超大規模スケールでは、宇宙は非常に不規則である可能性がありますが、私たちが観察できる領域 (さらには宇宙のさらに広い部分) は完全に均質なゾーン内にあります。

ガスが当初、自然界に磁気単極子が存在しないというまったく異なる宇宙論的問題を解決するためにインフレーション理論を開発したのは興味深いことです。第 9 章で示したように、標準的なビッグバン理論は、宇宙の進化の初期段階では単極子が大量に発生するはずだと予測しています。これらは、おそらく 1 次元および 2 次元の対応物、つまり「文字列」と「シート」の性質を持つ奇妙なオブジェクトを伴っている可能性があります。問題は、これらの「望ましくない」物体を宇宙から取り除くことでした。空間の巨大な膨張によりモノポールの密度が実質的にゼロになるため、インフレーションはモノポールの問題や他の同様の問題を自動的に解決します。

インフレーションシナリオはまだ部分的にしか開発されておらず、もっともらしいだけであるが、それによって私たちは宇宙論の様相を取り返しのつかないほど変えることを約束する数多くのアイデアを定式化することができた。今、私たちはビッグバンの原因を説明できるだけでなく、なぜビッグバンが「巨大」だったのか、そしてなぜそのような性質を帯びたのかについても理解し始めています。私たちは今、宇宙の大規模な均一性がどのようにして生じたのか、そしてそれに伴ってより小さなスケール (銀河など) で観察された不均一性がどのようにして生じたのかという問題に取り組み始めることができます。私たちが宇宙と呼ぶものが生じた一次爆発は、以後、物理科学の限界を超えた謎ではなくなりました。

自らを創造する宇宙

しかし、宇宙の起源を説明する上でインフレーション理論が大きな成功を収めたにもかかわらず、謎は依然として残っています。宇宙はどのようにして最初は偽の真空状態になったのでしょうか? インフレの前には何が起こったのでしょうか？

一貫性があり、非常に満足科学的説明宇宙の起源は、空間自体 (より正確には時空) がどのように発生し、その後インフレーションを起こしたかを説明する必要があります。宇宙が常に存在することを受け入れる準備ができている科学者もいますが、この問題は一般に科学的アプローチの範囲を超えていると信じている科学者もいます。そして、それ以上のことを主張し、その結果、文字通り「無」から空間一般（そして特に偽りの真空）がどのようにして生じ得るのかという問題を提起することは極めて正当であると確信している人はほんのわずかです。物理的プロセス、原則として勉強に適しています。

前述したように、私たちは「無からは何も生まれない」という根強い信念に異議を唱えたのはつい最近のことです。宇宙のブートストラップは、無から世界を創造するという神学的概念に近い （元ニヒロ）。間違いなく、私たちの周りの世界では、通常、いくつかのオブジェクトの存在は他のオブジェクトの存在によるものです。したがって、地球は原始太陽星雲から発生し、その原始太陽星雲は銀河ガスなどから発生しました。「何もないところから」突然物体が現れるのを偶然見たとしたら、私たちはおそらくそれを奇跡として認識するでしょう。たとえば、施錠された空の金庫の中に大量の硬貨、ナイフ、またはお菓子が突然発見されたら、私たちは驚かれるでしょう。日常生活では、私たちはすべてがどこかから、または何かから来ていることを認識することに慣れています。

ただし、あまり具体的ではないことになると、すべてがそれほど明らかではありません。たとえば、絵画は何から生まれたのでしょうか？もちろん、これにはブラシ、絵の具、キャンバスが必要ですが、これらは単なるツールです。絵を描く方法、つまり形、色、質感、構成の選択は、筆や絵の具を使って生まれるものではありません。これはアーティストの創造的な想像力の結果です。

思考やアイデアはどこから来るのでしょうか？疑いもなく、思考は実際に存在し、明らかに常に脳の参加を必要とします。しかし、脳は思考の実現を保証するだけであり、思考の原因ではありません。脳自体が思考を生成するのは、たとえばコンピューターが計算を生成するのと同じです。思考は他の思考によって引き起こされる可能性がありますが、これは思考自体の性質を明らかにするものではありません。いくつかの思考は感覚によって生まれるかもしれません。記憶は思考も生み出します。しかし、ほとんどのアーティストは自分の作品を結果として捉えています 予想外のインスピレーション。もしこれが事実であれば、絵画の創作、あるいは少なくともそのアイデアの誕生は、まさに無から何かが誕生する例ということになります。

それでも、物理的な物体、さらには宇宙全体が無から生じたと考えることができるでしょうか? この大胆な仮説は、たとえば、米国東海岸の科学機関で非常に真剣に議論されており、そこではかなりの数の理論物理学者や宇宙論の専門家が、地球から何かが誕生する可能性を明らかにするのに役立つ数学的装置を開発しています。何もない。この選ばれたサークルには、MIT のアラン・ガス、ハーバード大学のシドニー・コールマン、タフツ大学のアレックス・ビレンキン、ニューヨークのエド・ティオンとハインツ・パゲルスが含まれます。彼らは皆、ある意味で「不安定なものは何もない」と信じており、物理宇宙は物理法則によってのみ支配され、自然に「無から開花した」と信じています。「そのような考えは純粋に推測です」とガスは認めます。「しかし、あるレベルでは正しいかもしれません...フリーランチなど存在しないと言われることがありますが、どうやら宇宙はまさにそのような「フリーランチ」のようです。

これらすべての仮説において、重要な役割量子の動作が実行されます。第 2 章で説明したように、量子の動作の主な特徴は、厳密な因果関係が失われることです。古典物理学では、因果関係の厳密な遵守に従って力学の表現が行われました。各粒子の動きの詳細はすべて、運動法則によって厳密に事前に決定されています。動きは継続的であり、作用する力によって厳密に決定されると信じられていました。運動法則は文字通り、原因と結果の関係を具体化したものです。宇宙は巨大な時計仕掛けの機構とみなされ、その動作はその瞬間に起こっていることによって厳密に規制されています。ピエール・ラプラスが、超強力な計算機が原理的には力学の法則に基づいて宇宙の歴史と運命の両方を予測できると主張したのは、このような包括的で絶対的に厳密な因果関係への信念でした。この見解によれば、宇宙は定められた道を永遠にたどる運命にあります。

量子物理学は、系統的だが不毛なラプラシアン計画を破壊しました。物理学者は、原子レベルでは物質とその運動は不確実で予測不可能であると確信するようになりました。粒子は、あたかも厳密に規定された動きに抵抗しているかのように「奇妙な」動作をすることがあり、明白な理由もなく最も予期しない場所に突然現れたり、時には「警告なしに」現れたり消えたりすることがあります。

量子の世界は因果関係から完全に解放されているわけではありませんが、それはかなりためらいながら曖昧に現れます。たとえば、ある原子が別の原子との衝突の結果励起状態にある場合、通常、その原子はすぐに最も低いエネルギー状態に戻り、光子を放出します。もちろん、光子の出現は、原子が以前に励起状態に入ったことの結果です。光子の生成を引き起こしたのは励起であると自信を持って言えます。この意味で因果関係は残っています。ただし、光子が現れる実際の瞬間は予測できません。原子はいつでも光子を放出する可能性があります。物理学者は光子の発生確率または平均時間を計算できますが、それぞれの特定のケースにおいて、この現象が発生する瞬間を予測することは不可能です。どうやら、そのような状況を特徴づけるには、原子の励起は光子の出現につながるのではなく、原子を光子の出現に「押し込む」と言うのが最善のようです。

したがって、量子ミクロ世界は因果関係の密な網の中に絡まっていませんが、それでも多数の控えめなコマンドや提案を「聞いています」。古いニュートンの図式では、力は物体に対して、「移動せよ！」という揺るぎない命令を発しているように見えました。量子物理学では、力と物体の関係は命令ではなく招待の関係です。

物体が「何もないところから」突然誕生するという考えが、なぜそれほど受け入れがたいものであると私たちは一般的に考えるのでしょうか? なぜ私たちは奇跡や超常現象について考えるのでしょうか？おそらく重要なのは、そのような出来事の異常さだけです。日常生活では、理由もなく物体の出現に遭遇することは決してありません。たとえば、マジシャンが帽子からウサギを引き抜くと、私たちはだまされていることがわかります。

私たちが実際に、理由もなく完全に予測不可能な方法で、明らかに「どこからともなく」物体が現れる世界に住んでいると仮定してください。そのような現象に慣れてしまうと、私たちはそれらに驚かなくなるでしょう。自然発生は自然の奇妙さの 1 つとして認識されるでしょう。おそらく、そのような世界では、私たちはもはや、物理的な宇宙全体の何もないところから突然出現することを想像するために、私たちの信念を曲げる必要はなくなるでしょう。

この想像の世界は、本質的には現実の世界とそれほど変わりません。もし私たちが（特別な器具を介さずに）感覚の助けを借りて原子の挙動を直接認識できれば、明確に定義された原因なしに物体が現れたり消えたりするのを観察しなければならないことがよくあるでしょう。

「無からの誕生」に最も近い現象は、十分に強い電場で起こります。場の強度が臨界値に達すると、電子と陽電子が「何もないところから」完全にランダムに出現し始めます。計算によると、ウラン核の表面近くでは、電界強度がこの効果が発生する限界にかなり近いことがわかります。 200 個の陽子を含む原子核がある場合 (ウラン原子核には 92 個あります)、電子と陽電子の自発的生成が発生します。残念ながら、これほど多くの陽子を持つ原子核は非常に不安定になるようですが、完全に確実ではありません。

強い電場中での電子と陽電子の自発的生成は、何もない空間、真空で崩壊が起こるとき、特殊なタイプの放射能と考えることができます。崩壊の結果として、ある真空状態が別の真空状態に移行することについてはすでに説明しました。この場合、真空が壊れてパーティクルが存在する状態になります。

宇宙の崩壊が引き起こしたにもかかわらず、電界、理解するのは困難ですが、重力の影響下での同様のプロセスが自然界でも十分に発生する可能性があります。ブラックホールの表面近くでは、重力が非常に強いため、真空は絶えず誕生する粒子で満ちています。これはスティーブン・ホーキング博士が発見した有名なブラックホールからの放射です。最終的に、この放射線の誕生の原因となるのは重力ですが、これが「古いニュートンの意味で」起こるとは言えません。特定の粒子が一度に特定の場所に現れるはずであるとは言えません。重力の作用の結果として。いずれにせよ、重力は時空の曲率にすぎないので、時空が物質の誕生を引き起こすと言えます。

空の空間から物質が自然に出現することは、「無からの」誕生としてよく語られますが、これは精神的に誕生と似ています。 元ニヒロキリスト教の教義において。しかし、物理学者にとって、空の空間はまったく「何もない」のではなく、物理宇宙の非常に重要な部分です。それでも宇宙がどのようにして誕生したのかという疑問に答えたいのであれば、最初から空の空間が存在したと仮定するだけでは十分ではありません。このスペースがどこから来たのかを説明する必要があります。誕生の思い 空間そのもの奇妙に思えるかもしれませんが、ある意味、これは私たちの周りで常に起こっていることです。宇宙の膨張は、空間の継続的な「膨張」に他なりません。私たちの望遠鏡がアクセスできる宇宙の面積は、毎日 10の18 乗方光年ずつ増加しています。この空間はどこから来たのでしょうか？ここではゴムの例えが役に立ちます。伸縮性のあるゴムバンドを引き抜くと、「大きくなります」。私たちの知る限り、宇宙は壊れることなく無限に伸びることができるという点で超弾性に似ています。

空間の伸縮と湾曲は、空間の「動き」が通常の物質の動きとまったく同じように力学の法則に従って起こるという点で、弾性体の変形に似ています。この場合、これらは重力の法則です。量子論は物質、空間、時間にも同様に適用できます。前の章で、量子重力は超大国を探す上で必要なステップとみなされていると述べました。これは興味深い可能性をもたらします。量子論によれば、物質の粒子が「無から」発生する可能性がある場合、重力との関係で、それは空間の「無から」の出現を説明することになるのではないでしょうか? もしこれが起こるなら、180億年前の宇宙の誕生はまさにそのような過程の一例ではないでしょうか？

フリーランチ？

量子宇宙論の主な考え方は、量子論を宇宙全体、つまり時空と物質に適用することです。理論家はこの考えを特に真剣に受け止めています。一見すると、ここには矛盾があります。量子物理学は最小の系を扱うのに対し、宇宙論は最大の系を扱います。しかし、宇宙もかつては非常に小さな次元に限定されていたため、当時は量子効果が非常に重要でした。計算結果は、量子法則は GUT 時代 (10^-32 秒) では考慮されるべきであり、プランク時代 (10^-43 秒) ではおそらく決定的な役割を果たすはずであることを示しています。一部の理論家（たとえば、ヴィレンキン）によれば、これら 2 つの時代の間に、宇宙が誕生した瞬間がありました。シドニー・コールマンによれば、私たちは無から時間への量子的飛躍を遂げました。どうやら時空はこの時代の名残のようだ。コールマンが語る量子飛躍は、一種の「トンネルプロセス」と考えることができます。インフレーション理論の元のバージョンでは、偽の真空の状態がエネルギー障壁を通過して真の真空の状態になると想定されていたことに注目しました。しかし、量子宇宙が「何もないところから」自然に出現する場合、私たちの直観はその能力の限界に達します。トンネルの一方の端は、空間と時間の物理的な宇宙を表しており、量子トンネリングによって「何もない状態から」そこに到達します。したがって、トンネルの反対側はまさに「無」を表しています。おそらく、トンネルには一方の端しかなく、もう一方の端は単に「存在しない」と言ったほうがよいでしょう。

宇宙の起源を説明するこれらの試みの主な困難は、偽の真空状態からの誕生のプロセスを説明することです。新たに創造された時空が真の真空状態であれば、インフレーションは決して起こり得ない。ビッグバンは弱い飛沫に減少し、時空はその瞬間後に再び存在しなくなり、それが最初に生じたまさに量子プロセスによって破壊されるでしょう。もし宇宙が偽の真空状態に陥っていなかったら、宇宙のブートストラップに巻き込まれることはなかったし、その幻想的な存在が現実化することもなかったでしょう。おそらく、擬似真空状態の方が、その特徴的な極端な条件のために好ましいのでしょう。たとえば、宇宙が十分に高い初期温度で発生し、その後冷却された場合、偽の真空で「座礁」する可能性さえありますが、これまでのところ、この種の技術的な問題の多くは未解決のままです。

しかし、これらの基本的な問題の現実が何であれ、宇宙は何らかの形で誕生するはずであり、量子物理学は、明らかな原因なしに発生する出来事について話すことが理にかなっている唯一の科学分野です。私たちが時空について話しているのであれば、いずれにせよ、通常の意味での因果関係について話すのは意味がありません。通常、因果関係の概念は時間の概念と密接に関連しているため、時間の出現またはその「非存在からの出現」のプロセスについての考察は、より広範な因果関係の概念に基づいていなければなりません。

空間が本当に 10 次元である場合、理論では、非常に初期の段階では 10 次元すべてがまったく等しいとみなされます。インフレーション現象を、10 次元のうち 7 つの次元の自発的コンパクト化 (折り畳み) と結びつけることができるのは魅力的です。このシナリオによれば、インフレの「推進力」は、空間の追加次元を通じて現れる相互作用の副産物です。さらに、10 次元空間は、インフレーション中に、他の 7 つの空間次元を犠牲にして 3 つの空間次元が大幅に拡大し、逆に縮小して見えなくなるような形で自然に進化する可能性があります。したがって、10 次元空間の量子マイクロバブルが圧縮され、それによって 3 次元が膨張して宇宙が形成されます。残りの 7 次元は小宇宙に閉じ込められたままで、そこから相互作用の形で間接的にのみ現れます。この理論は非常に魅力的に思えます。

理論家たちは、宇宙の極初期の性質を研究するためにまだ多くの仕事をしなければなりませんが、宇宙が今日見られるような形になるきっかけとなった出来事の概要を説明することはすでに可能です。宇宙は最初、「何もないところから」自然発生的に生じました。一種の酵素として作用する量子エネルギーの能力のおかげで、空の空間の泡はますます加速して膨張し、ブートストラップのおかげで莫大なエネルギーの蓄えを作り出すことができます。自己生成エネルギーで満たされたこの偽の真空は不安定であることが判明し、崩壊し始め、エネルギーを熱の形で放出し、各泡が火を吐く物質 (火の玉) で満たされました。バブルの膨張は止まりましたが、ビッグバンが始まりました。その瞬間の宇宙の「時計」では 10^-32 秒でした。

そのような火の玉からすべての物質とすべての物理的物体が生じました。宇宙材料が冷えるにつれて、相転移が連続して起こりました。移行するたびに、形状のない主要な素材からさらに多くの異なる構造が「凍結」されました。次々と相互作用が分離されました。私たちが現在亜原子粒子と呼んでいる物体は、段階的に、今日のそれらに固有の特徴を獲得しました。「宇宙のスープ」の構成がますます複雑になるにつれて、インフレーションの時代に残った大規模な凹凸が銀河へと成長しました。さらなる構造の形成と分離の過程さまざまな種類物質の存在とともに、宇宙はますます見慣れた形になっていきました。熱いプラズマが原子に凝縮し、星や惑星、そして最終的には生命を形成します。これが宇宙自体が「実現」した方法です。

物質、エネルギー、空間、時間、相互作用、場、秩序、構造 - 全て「クリエイターの価格表」から借用したこれらの概念は、宇宙の不可欠な特徴として機能します。新しい物理学は、これらすべての起源を科学的に説明するという興味深い可能性を切り開きます。最初から特に「手動」で入力する必要はなくなりました。物理世界のすべての基本的な特性がどのようにして実現されるのかがわかります 自動的に非常に特殊な初期条件の存在を仮定する必要がなく、物理法則の結果として。新しい宇宙論は、宇宙に関するすべての情報はインフレーション中に消去されたため、宇宙の初期状態は何の役割も果たさないと主張しています。私たちが観察している宇宙には、インフレーションが始まって以来起こった物理的プロセスの痕跡だけが残っています。

何千年もの間、人類は「無からは何も生まれない」と信じてきました。今日、私たちはすべてが無から生じたと言えます。宇宙に「お金を払う」必要はありません。それは完全に「フリーランチ」です。

ビッグバン理論は宇宙の始まりです。 超大国。 自然に関する統一理論の探求