宇宙の誕生に関する一般的な物語は、次のようなものです。約 140 億年前、膨大な量のエネルギーがどこからともなく現れたのです。
一瞬の急速な膨張で、そのエネルギーの爆発は宇宙を風船のように膨らませました。この膨張によって大規模な曲率は直線化され、現在私たちが平面と呼ぶ幾何学的形状が生まれました。物質も完全に混ざり合ったため、宇宙はほぼ（完全にではないにせよ）特徴のない状態になっています。あちこちに粒子の塊が銀河や星を形成していますが、それらは宇宙という汚れのないキャンバスに散らばる小さな点に過ぎません。
教科書ではインフレーション理論と呼ばれているこの理論は、これまでの観測結果と全て一致しており、ほとんどの宇宙学者に支持されている。しかし、この理論には一部の人々を不安にさせる概念的な含意がある。時空のほとんどの領域において、急速な膨張は決して止まらないだろう。結果として、インフレーションは多元宇宙、つまり無限の種類のポケット宇宙を持つテクニカラーの存在を生み出すしかない。その一つが私たちの故郷だ。批判者にとって、インフレーション理論はすべてを予測するが、それはつまり、結局のところ何も予測しないことを意味する。「インフレーション理論は本来の目的通りには機能していない」と、インフレーション理論の立案者であり、最も著名な批評家の一人となったポール・スタインハートは述べた。
近年、スタインハート氏らは、宇宙の起源について新たな説を展開している。彼らは、周期的に成長と収縮を繰り返す周期的な宇宙という概念を復活させた。彼らは、爆発に伴う負担を伴わずに、私たちが目にする平坦で滑らかな宇宙を再現したいと考えている。
そのため、スタインハート氏と共同研究者たちは最近、重力の計算モデルを専門とする研究者と協力しました。彼らは、収縮する宇宙が自身の構造をどのように変化させるかを分析し、最終的に収縮がインフレーションに打ち勝つ可能性があることを発見しました。収縮前の宇宙がどれほど奇妙で歪んで見えたとしても、収縮は原始的な皺を広範囲に効率的に消し去るでしょう。
「彼らが何を成し遂げたと主張するかは非常に重要です」と、同様のアプローチでインフレーション現象を分析してきたスタンフォード大学の宇宙学者、レオナルド・セナトーレ氏は述べた。まだ調査する機会がなかった部分もあるが、一見すると「彼らはそれを成し遂げたように見える」と彼は語った。
視界を絞る
過去1年半にわたり、シュタインハート氏、ドイツのマックス・プランク重力物理学研究所の宇宙学者アンナ・イジャス氏らの共同研究から、崩壊することなく再生を達成する周期的宇宙、あるいは「エクピロティック」宇宙の新たな見方が浮上した。
膨張と収縮を視覚化するとなると、人々はしばしば風船のような宇宙に注目し、その大きさの変化は「スケール係数」で表されます。しかし、もう一つの尺度であるハッブル半径、つまり私たちが見ることができる最大距離は軽視されています。一般相対性理論の方程式は、膨張と収縮をそれぞれ独立に変化させており、そして重要なのは、どちらかを変化させることで宇宙を平坦化できるということです。
風船に乗ったアリを想像してみてください。インフレーションは風船を膨らませるようなものです。膨張すると、宇宙は主に膨張し、平坦化していきます。しかし、周期的な宇宙では、この平坦化は収縮期に起こります。この時期には風船はわずかに収縮しますが、実際に働くのは地平線が劇的に縮小していくことです。まるでアリが、ますます拡大していく虫眼鏡を通してすべてを見ているかのようです。見える距離は縮まり、アリの世界はますます無秩序になっていくのです。
イラスト：ルーシー・リーディング・イッカンダ／クォンタ・マガジン
スタインハートらは、宇宙がおそらく1兆年かけて膨張していくと想定している。この膨張は、遍在する（そして仮説的な）場のエネルギーによって駆動されており、その挙動は現在ではダークエネルギーによるものとされている。このエネルギー場がやがて希薄化すると、宇宙は緩やかに収縮し始める。数十億年かけて収縮のスケールファクターがすべての物体を少しずつ近づけるが、完全に一点に収まることはない。劇的な変化はハッブル半径によってもたらされ、ハッブル半径は急速に近づき、最終的には微視的になる。宇宙の収縮によってエネルギー場が再充電され、宇宙は加熱され、原子が蒸発する。その後、反動が生じ、サイクルが新たに始まる。
バウンスモデルでは、微小なハッブル半径が滑らかさと平坦さを保証する。インフレーションは初期の多くの欠陥を巨大な多元宇宙の土地へと押し上げるが、ゆっくりとした収縮はそれらを実質的に消滅させる。私たちに残されたのは、始まりも終わりもなく、ビッグバンにおける特異点もなく、多元宇宙もない宇宙である。
あらゆる宇宙から私たちの宇宙へ
インフレーション宇宙論とバウンス宇宙論の両方にとっての課題は、それぞれのエネルギー場が、どのように始まったかに関わらず、正しい宇宙を創造することを示すことです。「私たちの哲学は、哲学はあってはならないということです」とイジャス氏は言います。「どのような条件下でそれが機能するかを問う必要がなくなれば、それが機能することがわかります。」
彼女とスタインハートは、インフレーションが機能を果たすのは、エネルギー場が顕著な特徴を持たず、ほとんど運動せずに形成される場合など、特殊な場合に限られると批判している。理論家たちはこうした状況を最も徹底的に研究してきたが、それは黒板数学で扱える唯一の例だからでもある。イジャスとスタインハートが6月にオンラインに投稿した2本のプレプリントで説明した最近のコンピューターシミュレーションでは、チームは、紙とペンで解析するには荒唐無稽すぎる様々なベイビー宇宙を用いて、緩やかな収縮モデルのストレステストを行った。
プリンストン大学の理論物理学者で一般相対性理論の計算モデルを専門とするフランス・プレトリウスが開発したコードを応用し、共同研究チームは、ねじれた場や塊状の場、逆方向に移動する場、さらには半分ずつが逆方向に走る状態で誕生した場などを研究した。ほぼすべてのケースにおいて、収縮は私たちの宇宙と同じくらい退屈な宇宙を急速に生み出した。
「手を放すと、ドカン！宇宙的な数瞬のゆっくりとした収縮で、絹のように滑らかに見えるようになる」とスタインハート氏は語った。
オックスフォード大学の宇宙学者で、一般相対性理論の数値解も専門とするケイティ・クラフ氏は、今回の新しいシミュレーションを「非常に包括的」と評した。しかし、彼女はまた、この種の分析は計算技術の進歩によってごく最近になって可能になったため、インフレーションが扱える条件の全容は未解明のままであるとも指摘した。
「半分覆われていますが、まだまだ作業が必要です」と彼女は言った。
イジャスとスタインハートのモデルへの関心は様々だが、ほとんどの宇宙論者はインフレーションが依然として打ち負かすパラダイムであることに同意している。「（緩やかな収縮は）現時点では対等な候補ではない」と、ニューヨーク大学の宇宙論者グレゴリー・ガバダゼ氏は述べた。
共同研究チームは次に、バウンス現象そのものを詳細に解明します。これは、あらゆるものを再び押し広げる新たな相互作用を必要とする、より複雑な段階です。イジャス氏は既に、物質と時空の新たな相互作用によって一般相対性理論を進化させるバウンス理論を提唱しており、他にもメカニズムが存在する可能性を示唆しています。彼女は近いうちにこのモデルをコンピューターに導入し、その挙動を詳細に解明する予定です。
研究チームは、収縮段階と膨張段階を結びつけることで、天文学者が発見するかもしれない、跳ね回る宇宙の独特な特徴を特定できることを期待している。
この共同研究は、爆発もクランチもない周期的な宇宙の細部まで解明したわけではなく、ましてや私たちがそのような宇宙に住んでいることを示したわけでもない。しかしスタインハート氏は現在、このモデルがまもなく多元宇宙に代わる現実的な選択肢を提示してくれるだろうと楽観視している。「最も懸念していた障害は克服されました」と彼は語った。「もう夜も眠れなくなりました」
編集者注：この調査の一部は、編集上独立した雑誌「Quanta」にも資金提供しているシモンズ財団の資金提供を受けています。シモンズ財団の資金提供決定は、Quantaの報道内容には一切影響を与えません。詳細はこちらをご覧ください。
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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