原始の宇宙ビッグバン直後に何が起きたか
プランク時代から電弱対称性の破れまで、宇宙の最初の一瞬にはインフレーションと再加熱が起きた。各段階と、その裏づけとなる研究。
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最初の一瞬に、宇宙は重力の分離、大統一時代、インフレーション、再加熱、電弱対称性の破れを経ました。要となる段階はインフレーションです。空間が 10²⁶ 倍に膨張し、そのあとインフレーション場が崩壊して、真空のエネルギーが粒子と放射に変わりました。そこで初めて、熱い宇宙が本当に始まったのです。
始まりに近づくほど、直接の観測ではなく理論に頼ることになります。以下の内容には、観測で確認されたものと、まだ理論的な枠組みにとどまるものがあります。読むときは、その違いを頭に置いておいてください。
最初の7つの段階
- 10⁻⁴³ 秒・プランク時代：時間と空間が意味をもち始める。これ以前には、「前と後」や「近いと遠い」といった言葉はまだ当てはまりません。
- 10⁻⁴³ 秒・重力の分離：重力が統一された力から分かれ、独自の相互作用になる。
- 10⁻³⁶ 秒・大統一時代：強い力、弱い力、電磁気力はまだ1つで、まだ3つのびんに注がれていない1種類の塗料のようなものです。
- 10⁻³⁶ 秒・宇宙のインフレーション：空間が 10²⁶ 倍に膨張する。引き伸ばされるのは空間そのものであり、中のものが四方八方に飛んでいくわけではありません。
- 10⁻³² 秒・インフレーションの終わり：インフレーション場が崩壊する。
- 10⁻³² 秒・再加熱：真空のエネルギーが粒子と放射に変わる。インフレーションは宇宙を巨大で冷たいものにし、再加熱が蓄えられたエネルギーを解放して、それがその後のすべての物質と光の源になりました。
- 10⁻¹² 秒・電弱対称性の破れ：ヒッグス場が粒子に質量を与え、粒子ごとに固有の「重さ」をもち始める。
膨張する宇宙：理論から観測へ
宇宙が膨張していることは、最初に理論で導き出され、3本の論文がバトンをつなぎました。アレクサンドル・フリードマンは、観測的な証拠が現れる7年前に、宇宙が膨張も収縮もしうることを一般相対性理論から示しました（Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922）。ジョルジュ・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「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）。観測がそれに続きました。銀河は遠いほど速く遠ざかるので、宇宙は静止していません（Hubble, PNAS, 1929）。ハッブルの論文のタイトルは「系外星雲の距離と視線速度の関係」です。フリードマンの論文は空間の曲率を、ルメートルの論文は質量が一定で半径が増大する一様な宇宙を扱いました。3本を並べると、「理論が先、観測があと」という順序になっています。
インフレーション：なぜ宇宙はこれほど平坦で一様なのか
アラン・グースは、初期宇宙が指数関数的に膨張したと提案し、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）。彼の論文のタイトル「インフレーション宇宙：地平線問題と平坦性問題の解決の可能性」は、2つの謎を名指ししています。1つ目は、遠く離れた領域がなぜほとんど同じ温度なのかという問い、2つ目は、宇宙がなぜこれほど平坦に見えるのかという問いです。ただし、最初のモデルには欠陥がありました。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）。
宇宙は今も加速している
「標準光源」とは、明るさがわかっている光源のことで、同じワット数の電球を並べたようなものです。暗く見えるほど、遠くにあります。研究者は遠方の超新星をそうした電球として使い、膨張が加速していることを見つけました。暗黒エネルギーが登場し、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。宇宙には、加速を引き起こす何らかのエネルギーがあるのです（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）。
質量の起源
ピーター・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、新しい粒子を予言しました（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、48年待たれた予言を確認しました（ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012）。これは、上の電弱対称性の破れの段階と対応しています。ヒッグス場が粒子に質量を与えるのです。
ゲームでの表現
ゲームでは、原初の宇宙の時代は「ビッグバンから0秒後」から始まり、資源はエネルギーです。ジェネレーターは量子ゆらぎ、インフレーション場、真空崩壊、再加熱と呼ばれ、上の重要な考え方にちなんで名づけられています。
実際の根拠
プランク時代(10⁻⁴³ 秒):時間と空間が意味をもちはじめる
重力の分離(10⁻⁴³ 秒):重力が統一された力から分かれる
大統一時代(10⁻³⁶ 秒):強い力、弱い力、電磁気力がまだ1つだった
宇宙のインフレーション(10⁻³⁶ 秒):空間が10²⁶倍に膨張する
インフレーションの終わり(10⁻³² 秒):インフラトン場が崩壊する
再加熱(10⁻³² 秒):真空のエネルギーが粒子と放射に変わる
電弱対称性の破れ(10⁻¹² 秒):ヒッグス場が粒子に質量を与える
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"