宇宙がどのように泡立ち衝突するのか

目に見えないものの向こうには何があるのだろうか？この問いは答えられないように思えるかもしれない。しかし、一部の宇宙学者はこう答える。私たちの宇宙は膨らむ泡のようなもので、その外側にはさらに多くの泡宇宙が存在し、それらは永遠に膨張し、エネルギーに満ちた海、つまり多元宇宙に浸かっている。

この理論は賛否両論だ。物理学者の中には、私たちの泡がなぜそれほど特別なのか（生命を宿すことができるのは特定の泡だけである）を説明するために多元宇宙論を支持する者もいれば、この理論は考えられるすべての宇宙を予測しているため、検証可能な予測ができないとしてこの理論を否定する者もいる。しかし、一部の研究者は、この理論の正確な帰結を解明するにはまだ自分たちには十分な知性がないと考えている。

現在、さまざまなチームが、多元宇宙がどのように泡立ち、それらの泡宇宙が衝突すると何が起こるかを正確に推測する新しい方法を開発しています。

「可能性は低い」と、この研究に参加しているトロント大学の宇宙学者ジョナサン・ブレーデン氏は言う。しかし同氏は、これは「絶対に検証できないと思っていたもの」の証拠を探す作業だとも語った。

多元宇宙仮説は、私たちの宇宙の誕生を解明しようとする試みから生まれました。宇宙の大規模構造の中に、理論家たちは宇宙の黎明期における爆発的な成長の兆候を見出しています。1980年代初頭、物理学者たちが宇宙のインフレーションがどのように始まり、そして止まったのかを研究する中で、不穏な構図が浮かび上がりました。研究者たちは、私たちのバブル宇宙ではここ、他のバブル宇宙ではあちらで空間のインフレーションが止まったかもしれないが、量子効果によって空間の大部分は引き続き膨張し続けるはずであることに気づきました。これは「永遠のインフレーション」と呼ばれる考え方です。

バブル宇宙とその周囲の宇宙との違いは、空間そのもののエネルギーにあります。空間が可能な限り空っぽで、これ以上エネルギーを失うことが不可能な状態、物理学者が「真の」真空状態と呼ぶ状態にあります。床に置かれたボールを想像してみてください。ボールはそれ以上落ちることはありません。しかし、系には「偽の」真空状態が存在することもあります。テーブルの上のボウルに入ったボールを想像してみてください。ボールは多少転がりながらも、ほぼ動かずにいます。しかし、十分な衝撃を受けると、ボールは床に落ち、真の真空状態になります。

宇宙論の文脈において、宇宙は同様に偽の真空状態に陥ることがあります。偽の真空の小さな粒子は時折（おそらくランダムな量子現象を通じて）真の真空へと緩和し、この真の真空は偽の真空の余剰エネルギーを吸収しながら、膨張する泡となって外側に吹き出します。この過程は偽の真空崩壊と呼ばれます。この過程こそが、私たちの宇宙を爆発的に誕生させたのかもしれません。「真空泡は、私たちの宇宙の歴史における最初の出来事だったのかもしれません」と、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの宇宙学者、ヒラニヤ・ペイリス氏は述べています。

しかし、物理学者たちは真空の泡の挙動を予測するのに苦戦している。泡の未来は、無数の微細な要素の積み重ねに左右される。泡はまた、急速に変化し（泡の壁は外側へ飛び出すにつれて光速に近づく）、量子力学的なランダム性と波状性も備えている。これらのプロセスに関する様々な仮定は、矛盾する予測をもたらし、どれが現実に近いのかを判断する術がない。まるで「物理学者にとって非常に扱いにくい多くの事柄をまとめて混ぜ合わせ、『さあ、何が起こっているのか解明してください』と言っているかのようだ」とブレイデン氏は述べた。

物理学者は、多元宇宙で実際の真空の泡を発生させることができないため、それらのデジタルおよび物理的類似物を求めてきました。

最近、ある研究グループが、単純なシミュレーションから真空の泡のような挙動を巧みに再現しました。カリフォルニア工科大学の著名な理論物理学者、ジョン・プレスキル氏を含む研究者たちは、共著者のアシュリー・ミルステッド氏の言葉を借りれば、「この問題の最も簡単なバージョン」から着手しました。それは、上向きまたは下向きの約1,000本のデジタル矢印の列です。主に上向きの矢印の列と主に下向きの矢印の列が交わる場所が泡の壁となり、矢印を反転させることで、研究者たちは泡の壁を動かして衝突させることができました。特定の状況下では、このモデルは自然界のより複雑なシステムの挙動を完全に模倣します。研究者たちは、このモデルを用いて、擬似的な真空の崩壊と泡の衝突をシミュレートしたいと考えていました。

当初、このシンプルな設定は現実にはうまく動作しませんでした。泡の壁が衝突すると、予想されていた複雑な反響や粒子の流出（反転した矢印が線に沿って波打つような形で）もなく、完璧に跳ね返りました。しかし、数学的な要素をいくつか加えることで、衝突する壁から高エネルギー粒子が噴出する様子を観測することができました。衝突が激しくなるにつれて、より多くの粒子が出現する様子も確認できました。

しかし、12月にプレプリント論文として発表された結果は、この問題が従来の計算では行き詰まりを迎えることを予感させる。研究者たちは、結果として生じた粒子が混ざり合うと「エンタングルメント（量子もつれ）」状態となり、共通の量子状態に入ることを発見した。粒子が一つ増えるごとに状態は指数関数的に複雑化し、最強のスーパーコンピュータでさえシミュレーションを不可能にする。

そのため、研究者らは、バブルの挙動に関するさらなる発見は、量子もつれを直接体験することでそれを処理できる計算要素（キュービット）を備えた成熟した量子コンピューターを待つ必要があるかもしれないと述べている。

一方、他の研究者たちは、自然に計算をさせようと望んでいる。

英国ダラム大学の物理学者、マイケル・スパノウスキー氏とスティーブン・アベル氏は、真空と同じ量子則に従う装置を用いることで、複雑な計算を回避できると考えている。「自然界で実現されている装置にシステムをエンコードできれば、計算する必要がなくなります」とスパノウスキー氏は述べた。「理論予測というより、実験に近いものになります。」

この装置は量子アニーラーとして知られています。これは限定的な量子コンピュータであり、量子ビットに利用可能な最も低いエネルギー構成を探させることで最適化問題を解くことに特化しています。これは擬似真空崩壊に似たプロセスです。

アベル氏とスパノウスキー氏は、D-Waveと呼ばれる市販の量子アニーラーを用いて、約200個の量子ビット列をプログラムし、擬似真空と真の真空に類似した高エネルギー状態と低エネルギー状態を持つ量子場を模倣した。その後、このシステムを解放し、前者が後者へとどのように崩壊し、真空バブルが形成されるかを観察した。

昨年6月にプレプリントで発表されたこの実験は、既知の量子効果を検証したに過ぎず、真空崩壊に関する新たな知見は何も明らかにしなかった。しかし研究者たちは、最終的にはD-Waveを用いて、現在の理論予測を一歩先へ推し進めたいと考えている。

3 番目のアプローチは、コンピューターを離れて直接シャボン玉を吹くことを目的としています。

光速近くで膨張する量子バブルは容易には得られないが、2014年にオーストラリアとニュージーランドの物理学者たちは、ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）と呼ばれるエキゾチックな物質状態を用いて、実験室で量子バブルを生成する方法を提案した。絶対零度近くまで冷却すると、薄いガス雲がBECに凝縮する。BECの特異な量子力学的特性として、2つのレーザーが干渉するのと同じように、別のBECと干渉する能力が挙げられる。2つの凝縮体が適切な方法で干渉すれば、実験者は凝縮体内に形成されるバブルを直接撮影できるはずだと研究チームは予測した。そのバブルは、多元宇宙に存在するとされるバブルと同様の働きをする。

「これは実験なので、定義上、量子効果や古典効果など、自然がそこに盛り込もうとするすべての物理学が含まれています」とペイリス氏は語った。

ペイリスは、無関係な影響による崩壊から凝縮液の混合物を安定させる方法を研究する物理学者チームを率いています。長年の研究を経て、彼女と同僚たちはついにプロトタイプ実験の準備が整い、数年後には凝縮液の泡を吹き出すことを期待しています。

すべてがうまくいけば、2つの疑問に答えられることになる。1つはバブルの形成速度、もう1つは1つのバブルの膨張が近くで別のバブルが膨張する確率にどのような変化をもたらすかだ。これらの疑問は、現在の数学では定式化することすらできないと、実験の理論的基礎構築に貢献したブレイデン氏は述べた。

この情報は、ブレイデンやペイリスのような宇宙論者たちが、遠い昔に近隣のバブル宇宙からの衝突が私たちの宇宙をどのように揺さぶったのかを正確に計算するのに役立つだろう。そのような衝突による痕跡の一つとして考えられるのは、空に円形の冷点が現れることだが、ペイリスらはこれを探したが、発見できなかった。しかし、衝突によって重力波も発生するかどうかといった詳細は、バブル宇宙の未知の特性に依存している。

もし多元宇宙が単なる幻影だとしても、物理学はそれを解明するために開発されている豊富なツールの恩恵を受けるかもしれない。多元宇宙を理解することは、あらゆる場所に存在する宇宙の物理学を理解することである。

偽の真空崩壊は「物理学のありふれた特徴のように思えます」とペイリス氏は語り、「私個人としては、鉛筆と紙を使った理論計算でそこまで到達できるとは思っていません」と付け加えた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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