宇宙論：驚きの事実

サムズアップ・アメリカ！
ビッグバンは宇宙の始まりではない？

かつて私たちは、ビッグバンとは宇宙が特異点から始まったことを意味すると考えていました。アインシュタインの相対性理論と量子力学の成果を基盤に、それは揺るぎないもののようでした。多くの科学者がそれを受け入れ、今や多くの一般市民にまでこのビッグバン理論は浸透しています。

しかし、100年近く経った今、新たな宇宙理論でそれを覆そうという試みがなされているそうです。

ここでは最新の宇宙の起源にまつわる論文からの引用をもとに、これまでの宇宙物理理論史を俯瞰し、これから始まるであろう「宇宙の起源論争」を展望してみたいと思います。

-------------------------------------------------------------------------------

始まりには......いや、始まりなどなかったのかもしれない。もしかしたら、私たちの宇宙は常に存在していたのかもしれません。そして、新しい量子重力理論によって、その仕組みが明らかになりました。

イギリスのリバプール大学で時間の本質を研究している物理学者のブルーノ・ベントは、「現実には、多くの人がSFやファンタジーを連想するようなものがたくさんあります」と語っています。

彼の研究では、因果集合理論と呼ばれる新しい量子重力理論を採用しています。この理論では、空間と時間が離散的な時空の塊に分解されます。この理論によれば、あるレベルでは時空の基本単位が存在することになります。

ベントと共同研究者は、この因果集合理論を用いて、宇宙の始まりを探りました。その結果、宇宙には始まりがない可能性があることがわかりました。つまり、宇宙は無限の過去にずっと存在していて、最近になってビッグバンと呼ばれる進化を遂げたのです。

ビッグバンは、膨張して冷却している宇宙が、過去にはもっと若く、高密度で、高温であったこと教えてくれます。

しかし、特異点までさかのぼって予測すると、私たちが観測しているものとは異なる予測になってしまいます。

その代わりに、宇宙のインフレーションがビッグバン直後に起こり、宇宙の起源を永遠に変えることになったのです。


そもそも宇宙はどこから来たのか？

どの方向を見ても、星、銀河、ガスや塵の雲、希薄なプラズマ、そして電波、赤外線、可視光、ガンマ線といったあらゆる波長の放射線が存在しています。宇宙はどこをどう見ても、いつでもどこでも物質とエネルギーであふれています。

しかし、それらはすべてどこかで生まれたものだと考えるのが自然でしょう。

私たちの宇宙の起源という最大の疑問の答えを知りたければ、宇宙そのものに問いかけ、その答えに耳を傾けるしかありません。

現在、私たちが見ている宇宙は、膨張し、希薄化し、冷却しています。

もっと大きく、もっと密度が低く、もっと冷たくなるであろう時間を単純に先取りしたくなりますが、物理学の法則では、同じように簡単に逆方向に先取りすることができます。

大昔の宇宙は、より小さく、より高密度で、より高温でした。

では、どこまで遡ることができるのでしょうか。

数学的には、無限小の大きさ、無限大の密度と温度、つまり「特異点」までさかのぼりたいところです。空間、時間、宇宙の始まりは単一であるという考えは、古くはビッグバンと呼ばれていました。

しかし、物理的によく見てみると、宇宙は別の話をしていることがわかりました。ビッグバンが宇宙の始まりではないことがわかったのは、このような理由からです。

ビッグバンの起源は、他の科学の話と同様に、理論と実験・観測の両方の領域に根ざしています。

理論面では、アインシュタインが1915年に発表した「一般相対性理論」は、ニュートンの万有引力理論を覆す新しい重力理論です。

アインシュタインの理論ははるかに複雑なものでしたが、最初の厳密な解が発見されるまでに時間はかかりませんでした。

宇宙物理学の成果を時系列で言うと、

1916年、カール・シュヴァルツシルトが、回転しないブラックホールを表す点状の質量の解を見つけた。

1917年にはウィレム・デ・シッターが「宇宙定数を持つ空の宇宙」の解を見つけ、指数関数的に膨張する宇宙を表現しました。

1916年から1921年にかけて、4人の研究者が独自に発見したライスナー・ノルドストレム解は、荷電した球対称の質量の時空を記述した。

1921年には、エドワード・カスナーが、物質と放射線のない宇宙を記述する解を発見し、異方性（異なる方向に異なる性質を持つ）を示しました。

1922年、アレクサンダー・フリードマンは、物質や放射線を含むあらゆる種類のエネルギーが存在する、等方的（すべての方向で同じ）かつ均質（すべての場所で同じ）な宇宙の解を発見した。



最後の解は、2つの理由で非常に説得力がありました。1つは、この宇宙を最も大きなスケールで表現しているように見えたこと、つまり、どこでも、どの方向でも、平均的に同じように見えるということです。そして2つ目は、この解の支配方程式であるフリードマン方程式を解くと、この解が記述する宇宙は静止しているはずがなく、膨張か収縮のどちらかでなければならないということです。

後者の事実は、アインシュタインをはじめとする多くの人に認識されていましたが、観測によって裏付けられるようになるまで、特に重要視されることはありませんでした。

1910年代、天文学者のヴェスト・スリファーは、天の川銀河以外の銀河ではないかと考えられている星雲の観測を始め、それらが銀河系内の他のどの天体よりも速く動いていることを発見した。

しかも、それらの星雲の大部分は我々から遠ざかっており、暗くて小さい星雲ほど速く動いていることがわかりました。

そして1920年代、エドウィン・ハッブルが星雲の中にある個々の星の測定を始め、最終的に星雲までの距離を決定した。

ハッブルは、星雲の中にある個々の星を測定し、その距離を測定しました。その結果、星雲は銀河系内のどの星よりも遠いだけでなく、遠い星は近い星よりも速く移動していることがわかりました。

レマトル、ロバートソン、ハッブルなどの研究者が次々と発表した結果、宇宙は膨張していることがわかった。

ジョルジュ・レマトルは1927年にこのことを最初に認識しました。膨張を発見した彼は、有能な数学者なら誰でもそうするように、好きなだけさかのぼって、原始原子と呼ばれるところまで行けると理論的に説明しました。

彼は、宇宙は最初、高温・高密度の物質と放射線の集まりで、急速に膨張しており、私たちを取り巻くすべてのものは、この原初の状態から生まれたのだと考えたのです。

この考えは、後に他の研究者によって発展させられ、さらにいくつかの予言がなされました。

現在の宇宙は、過去の宇宙よりも進化している。

現在の宇宙は過去よりも進化している。つまり、過去に見た天体は、より若く、重力の塊ではなく、重さも重元素も少なく、進化していない構造をしているはずなのです。さらには、星や銀河が存在しない地点もあるはずです。

ある時点で、放射線は中性原子が安定して形成されないほど高温になりました。放射線は、結合しようとする原子核から電子を確実に追い出してしまうからです。

非常に早い時期には、原子核さえも吹き飛ばすほどの高温になっていたはずで、これは核融合が起こった初期の恒星前の段階があったことを意味しています。

ビッグバン核合成です。このことから、星が形成される前の宇宙には、少なくとも軽元素とその同位体の集団が存在していたと考えられます。

膨張する宇宙と合わせて、この4つのポイントがビッグバンの礎となります。宇宙の大規模構造、個々の銀河、そしてその中にある星の集団の成長と進化は、すべてビッグバンの予言を裏付けるものです。

絶対零度からわずか3Kの放射線が発見され、その黒体スペクトルと数十から数百のマイクロケルビンレベルでの温度の不完全さが相まって、ビッグバンの正当性が証明され、最も有力な代替案の多くが排除されました。

また、水素、重水素、ヘリウム3、ヘリウム4、リチウム7などの軽元素の発見とその比率の測定により、星が形成される前にどのような核融合が行われていたかだけでなく、宇宙に存在する正常な物質の総量も明らかになった。

根拠のある範囲で外挿することは、科学にとって非常に大きな成功です。高温のビッグバンの初期段階で起こった物理現象が宇宙に刻印され、当時のモデルや理論、宇宙の理解を試すことができるのです。

実際、観測可能な最も初期の痕跡は、宇宙ニュートリノ背景であり、その影響は、宇宙マイクロ波背景（ビッグバンの残りの放射線）と宇宙の大規模構造の両方に現れています。

このニュートリノ背景は、驚くべきことに、高温のビッグバンのわずか1秒後に現れます。

しかし、測定可能な証拠の限界を超えて外挿することは、魅力的ではあるものの、危険な試みです。

ビッグバンを約138億年前、宇宙が1秒に満たない頃までさかのぼることができるのなら、さらに1秒だけさかのぼって、宇宙が0秒の頃に存在すると予測されている特異点までさかのぼることに何の問題があるのでしょうか？

そのように「現実に対して根拠のない間違った仮定をすること」が有害であると考えるならば、その答えは意外にも、非常に大きなものです。

なぜ問題なのかというと、恣意的に高い温度、恣意的に高い密度、恣意的に小さい体積を持つ特異点から始まった場合、我々の宇宙には、必ずしも観測によって裏付けられていない結果がもたらされるからです。

例えば、もし宇宙が特異点から始まったのであれば、膨張率のバランスを正確にとるために、物質とエネルギーを合わせた「もの」がちょうどよいバランスで存在していなければなりません。

もし物質がほんの少しでも多ければ、最初に膨張した宇宙は今頃すでに再崩壊していたでしょう。もし物質がほんの少しでも少なかったら、急速に膨張して、宇宙は今よりずっと大きくなっていたでしょう。

しかし、そうではなく、宇宙の初期膨張率と物質やエネルギーの総量が、測定可能な範囲で完璧にバランスしていることが観察されているのです。

同様に、任意の温度に達した宇宙には、磁気単極子のような高エネルギーの遺物が残っているはずですが、それも観測されていません。

また、宇宙は、因果関係のない領域、つまり我々の観測限界において空間の反対方向にある領域では温度が異なるはずですが、宇宙はどこでも99.99%以上の精度で同じ温度であることが観測されています。

私たちはいつでも、何かを説明するために初期条件に訴え、「宇宙はこのように生まれた、それだけだ」と言う自由があります。しかし、科学者としては、観測された特性を説明できるかどうかの方がはるかに興味があるのです。

科学者としては、観測された特性に説明をつけることができれば、もっと興味が湧くものです。

宇宙のインフレーションは、まさにそれをもたらしてくれます。インフレーションは、熱いビッグバンを初期の非常に熱く、非常に高密度で、非常に均一な状態にまで外挿することはできますが、特異点まで戻ってしまう前に止めてくださいということです。

宇宙の膨張率と物質・エネルギーの総量を均衡させたいのであれば、そのように設定する方法が必要になります。

どこもかしこも同じ温度の宇宙でも同じことが言えます。

少し違う話になりますが、高エネルギーの遺物を避けたい場合、既存の遺物を取り除き、さらに宇宙が再び高温になるのを防ぐことで新しい遺物を作らないようにする方法が必要です。

インフレーションは、高温のビッグバンの前に、大きな宇宙定数（またはそれに似た振る舞いをするもの）によって宇宙が支配されていた期間を仮定することでこれを実現します。

この段階では、宇宙は平らに伸ばされ、どこでも同じ性質を持ち、既存の高エネルギーの遺物は取り除かれます。

また、インフレーションが終わり、ホットビッグバンが起こった後に到達する最高温度に上限を設けることで、新たな遺物の発生を防ぐことができます。

さらに、インフレーション中に量子ゆらぎが生成され、宇宙に張り巡らされたと仮定することで、宇宙がどのような不完全さで始まるのかを新たに予測しています。

インフレーションは1980年代に提唱されて以来、「特異点から始まった宇宙」という代替案に対して、さまざまな方法で検証されてきました。その結果、次のような結果が得られました。

1. インフレーションは、高温のビッグバンの成功例をすべて再現している。高温のビッグバンで説明できることで、インフレーションで説明できないことはない。

2. インフレーションは、ホット・ビッグバンでは単に「初期条件」と言わざるを得ないようなパズルをうまく説明してくれる。

3. インフレーションと、インフレーションのないホットビッグバンとで異なる予測のうち、4つの予測が十分な精度で検証され、両者を区別することができました。そのうちの4つについては、インフレーションは4対4で、ホットビッグバンは0対4です。



しかし、"始まり "という概念を振り返ってみると、事態はとても興味深いものになります。ホット・ビッグバンで得られる物質や放射線を持つ宇宙は、常に特異点にまでさかのぼることができますが、インフレーションの宇宙はそうはいきません。

インフレーション宇宙は指数関数的な性質を持っているため、時計を無限に戻しても、宇宙は無限の大きさと無限の温度と密度に近づくだけで、決して到達することはありません。

つまり、インフレーションは、必然的にシンギュラリティに至るというよりも、それだけでは絶対にシンギュラリティに至ることはできないのです。

宇宙は特異点から始まり、それがビッグバンである」という考えは、現在の高温・高密度・物質・放射線に満ちた宇宙の前に、インフレーションの段階があったことを認識した瞬間に捨て去る必要がありました。

まとめ

この新しい予想図は、宇宙の始まりについて、私たちの多くが学んだ伝統的なストーリーとは逆の3つの重要な情報を与えてくれます。

まず、宇宙が無限に熱く、濃く、小さい特異点から発生し、それ以来、物質と放射線に満ちて膨張と冷却を繰り返しているという、当初の熱いビッグバンの概念は正しくありません。この図式は今でもほぼ正しいのですが、過去にさかのぼって推定できる範囲には限界があります。

第二に、高温のビッグバンの前に起こっていた状態、すなわち宇宙インフレーションが観測によって確立されています。

ビッグバン以前の初期宇宙は、指数関数的な成長を遂げており、宇宙に存在していた構成要素は文字通り「インフレーション」によって取り除かれました。

インフレーションが終わると、宇宙は再加熱され、恣意的ではないが高い温度になり、高温・高密度で膨張する宇宙が生まれ、現在の私たちの姿になったのです。

最後に、おそらく最も重要なことは、宇宙そのものがどのようにして始まったのか、あるいは始まったのかどうかについて、もはや何らかの知識や自信を持って語ることはできないということです。

インフレーションの性質上、宇宙が終わり、私たちの熱いビッグバンが起こる最後の数秒間以前の情報はすべて消去されてしまうのです。

インフレーションは永遠に続いたのかもしれないし、他の非特異な段階に先立っていたのかもしれないし、特異点から生まれた段階に先立っていたのかもしれない。

現在考えられている以上の情報を宇宙から引き出す方法が発見される日が来るまで、私たちは自分の無知を直視するしかありません。

ビッグバンは大昔に起こったことだが、それはかつて我々が考えていたような始まりではなかったと言うことです。

とはいえこの最新理論の提唱は始まったばかり。これから多くの研究者による検証が始まります。その結果、この理論もまた反論の嵐に吹き消される可能性もあります。

アインシュタインの相対性理論のような巨大な定説になるにはまだまだ時間がかかりそうですが、停滞した宇宙論に風穴を開けるほどのインパクトはあるので、これからも注視していきたいと思います。