赤ちゃん宇宙実験室で宇宙を作れるか?
物理学者たちは、宇宙を作るには何が必要かを研究してきた。宇宙紀元のエンディング「赤ちゃん宇宙」の背景にある、ファーヒとガスからインフレーションまでの実際の研究。
実験室で新しい宇宙をつくることはできるのでしょうか。エドワード・ファーヒとアラン・グースは1987年にこの問題を真剣に研究し、1990年にはファーヒ、グース、ジェマル・ガーベンがさらに一歩進めました。結論は次のとおりです。一般相対性理論は、小さな偽の真空のかたまりが、私たちの宇宙とは因果的に切り離された「ベビーユニバース」へと膨張することを許しますが、古典物理学では出発点が特異点でなければならず、量子トンネル効果ならそれを回避できるかもしれません。実際にベビーユニバースをつくり、その物理定数を決めるというのはフィクションです。
このページではまずエンディングの解放方法を説明し、次に「宇宙の工場」の背景にある実際の研究、そして膨張とインフレーション理論の発展を紹介します。物理学者がそもそもなぜ「宇宙をつくる」ことを考えるのか、おわかりいただけるでしょう。
解放方法
- ヒント：まずこの宇宙が死ぬのを見届けてから、新しい宇宙をつくるかどうかを決めましょう。
- 条件：まずエンディング「陽子崩壊」を見届ける。そのうえで「宇宙の工場」を解放し、宇宙の終わりを見届ける。
- 報酬：次の宇宙の冒頭の一文を書き、物理定数を1つ無料で書き換えられます（次の宇宙限定）。
「宇宙の工場」ノードには、新しい宇宙の番が来る前に、宇宙が死ななければならない、とあります。
実際の研究：宇宙をつくる条件
- 1987年：ファーヒとグースは、実験室で新しい宇宙をつくれるかどうかを研究しました。一般相対性理論は、小さな偽の真空のかたまりが、私たちの宇宙とは因果的に切り離された「ベビーユニバース」へと膨張することを許しますが、古典物理学では出発点が特異点でなければなりません。
- 1990年：ガーベンとともに、量子トンネル効果ならこれを回避できるかもしれないと提案しました。
物理学者がなぜ考えるのか
宇宙膨張の理論は、「宇宙をつくる」ために必要な概念を、一歩ずつ提供してきました。
- フリードマンは、宇宙が膨張も収縮もしうることを一般相対性理論から導き出しました。観測的な証拠が現れる7年前のことです（Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922）。
- ルメートルは、宇宙が膨張していることを独自に提案し、のちに宇宙は「原始的原子」から始まったと考えました。ビッグバン理論の初期の形です（Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927）。
- 銀河は遠いほど速く遠ざかります。宇宙は静止していません（Hubble, PNAS, 1929）。
- グースは、初期宇宙が指数関数的な膨張を経たと提案し、宇宙がなぜこれほど平坦で、どこでも温度がほとんど同じなのかを一挙に説明しました（Guth, Physical Review D, 1981）。
- アンドレイ・リンデは、インフレーションがどうすればきれいに終わるかという問題を解決し、インフレーション理論を実際に使えるものにしました（Linde, Physics Letters B, 1982）。
ベビーユニバースを研究したグースが、インフレーションを提案したグースと同一人物であることは注目に値します。
宇宙は何でできているか
遠方の超新星を「標準光源」として使った天文学者たちは、宇宙の膨張が加速していることを見つけ、暗黒エネルギーが舞台に現れました。この研究は2011年のノーベル賞を受賞しました（Riess et al., The Astronomical Journal, 1998）。別のチームも独自に同じ結論に達しました（Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999）。プランク衛星は、これまでで最も精密な宇宙論パラメータを示しました。年齢は約138億年で、通常の物質はわずか約5%です（Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020）。
ヒッグスは、粒子に質量を与える、空間全体を満たす場を提案し（Higgs, Physical Review Letters, 1964）、大型ハドロン衝突型加速器が約 125 GeV の新しい粒子を発見して、48年待たれた予言を確認しました（ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012）。ゲームの報酬では物理定数を1つ書き換えられますが、これはフィクションです。
宇宙の終わり
数兆年後とそれ以降の宇宙の運命。恒星は燃え尽き、陽子は崩壊するかもしれず、ブラックホールはやがて蒸発します（Adams and Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997）。これは、ヒントの「まずこの宇宙が死ぬのを見届ける」に呼応しています。
ゲーム設定（実際のものではありません）
実際にベビーユニバースをつくり、その物理定数を決めるというのはフィクションです。アシモフの『最後の質問』（1956年）は、エントロピーの増大を逆転できるかどうかを、世代を重ねてますます強力になるコンピューターに人々が問い続ける物語です。コンピューターは毎回「意味のある答えを出すにはデータが不足しています」と答え、ついに宇宙の最後の瞬間を迎えます。科学的な背景は次のとおりです。熱力学第二法則に既知の例外はなく、宇宙の熱的死は主流の予測の1つです。
原典を読むには？ 次のタイトルで検索してください
- Friedmann (1922): "Über die Krümmung des Raumes"（おおよそ「空間の曲率について」）
- Guth (1981): "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
- Linde (1982): "A new inflationary universe scenario"
- Higgs (1964): "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
- Adams and Laughlin (1997): "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"
実際の根拠
1987年のファーリとグース、そして1990年のファーリ、グース、ギュヴェンは、研究室で宇宙を作るための物理的条件を真剣に研究した。
宇宙工場：1987年、ファーリとグースは、研究室で新しい宇宙を作れるかを調べた。一般相対性理論では、偽の真空の小さな塊が、私たちから因果的に切り離された「赤ちゃん宇宙」へ膨らむことを許す。ただし古典物理学では、出発点は特異点でなければならない。1990年、2人はギュヴェンとともに、量子トンネル効果がこれを回避するかもしれないと提案した。
『最後の質問』(アイザック・アシモフ、1956年)の科学:熱力学第二法則に例外は知られていない。熱的死は宇宙の有力な予測の1つ。
関連する研究
これらの研究はこのトピックに関連しますが、このページの直接の証拠ではありません。
宇宙は膨張している：ハッブルは、遠い銀河ほど速く遠ざかることを見つけた。宇宙は静止していない。膨張している。
出典：Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"
フリードマンの宇宙：フリードマンは一般相対性理論から、宇宙は膨張も収縮もしうることを導いた。観測による裏づけより7年早かった。
出典：Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"
原始的原子：ルメートルは独立に宇宙の膨張を提唱し、のちに宇宙は「原始的原子」から始まったと考えた。ビッグバン理論の先駆けだ。
出典：Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"
インフレーション宇宙：グースは、初期の宇宙が指数関数的に膨張したと提唱した。宇宙がこれほど平坦で、どこでもほぼ同じ温度である理由が一度に説明できた。
出典：Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
新インフレーション：リンデは、インフレーションがどうすれば穏やかに終わるかという問題を解決し、インフレーション理論を本当に使えるものにした。
出典：Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"
加速膨張：遠くの超新星を「標準光源」にして、宇宙の膨張が加速していることを見つけた。ダークエネルギーが登場し、この業績は2011年のノーベル賞を受けた。
出典：Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
42個の超新星：別のチームも独立に同じ結論に達した。宇宙にはある種のエネルギーがあり、加速膨張を駆動している。
出典：Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
宇宙のレシピ：プランク衛星はこれまででもっとも精密な宇宙論パラメーターを示した。年齢は約138億年、通常の物質はわずか約5%。
出典：Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
質量の由来：ヒッグスは、空間を満たして粒子に質量を与える場を提案し、新しい粒子を予言した。
出典：Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
ヒッグス粒子の発見：大型ハドロン衝突型加速器が約125GeVに新粒子を見つけ、48年前の予言を裏づけた。
出典：ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"
宇宙の最終章：何兆年、さらにその先にわたる宇宙の運命を導いた。星は消え、陽子はおそらく崩壊し、ブラックホールはついに蒸発する。
出典：Adams & Laughlin, Reviews of Modern Physics 1997, "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"
ゲーム設定（創作）
- 赤ちゃん宇宙を実際に作り、その物理定数に影響を与えることは、フィクションだ。
- ノード「宇宙の工場」:新しい宇宙に順番が回ってくるには、一つの宇宙が死ななければならない。
- 小説『最後の質問』のあらすじ:世代を重ねるたびに、人々はますます強力になった計算機に、エントロピーの増大は元に戻せるかと尋ねる。そのつど計算機は「データ不足」と答え、宇宙の最後の瞬間までそれが続く。