ビッグバンの前の宇宙ってどうなってたの? だいたい3方向の考え方

ビッグバンの前の宇宙ってどうなってたの? だいたい3方向の考え方 1

宇宙はビッグバンで始まった、って言われてます。でも当然ですが誰かビッグバンを見たわけでも、その光景を動画に撮ったりしてたわけはありません。だからふと、「ビッグバンが最初って言ってるけど、ほんとはその前にも何かあったんじゃないの?」という疑問が浮かんできます。

実際、理論物理学者や宇宙学者たちが、「ビッグバンの前にも何かあったんじゃないか」と浮気を追求する配偶者みたいな問いを追いかけています。その問いにまだ答えはありません。が、さまざまなデータや理論を元に推測はできます。

以下、カリフォルニア工科大学の教授で、今年1月の米国天文学会で「ビッグバン以前の可能性」について語ったSean Carrollさんのガイドによって、今どんな考え方が出ているのかを超ざっくりとまとめます。

ただし、これらはまだ推測であって、確立された理論ではありません。「現在の私の考えは、我々が理解する物理法則として確立されたものでも、何らかの方法で検証されたものでもありません」とCarrollさん自身が言っています。以前に、コロンビア大学の理論物理学者Peter Woitさんもこう言っていました。「物理学者に関する一般的なアドバイスは、彼らが『何が起きているかわからない』と言うとき、彼らは本当に、本当にわかっていないのです。本当に闇の中にいるんです」

前段:エントロピーの謎

まず、宇宙のもっとも奇妙な性質のひとつは、そのエントロピーが非常に低いということです。エントロピーとは、超ざっくり言うと「ごちゃごちゃ度」みたいなもので、それが低いということは、きれいに整理されている、ということです。

コロンビア大学の博士課程学生Stefan Countrymanさんは次のように説明してくれます。仮にビッグバンが、何もないところで砂をぎっしりつめた爆弾が爆発するみたいな現象だとします。だとしたら、爆発後には砂が四方八方まんべんなく散らばっていそうなものですが、宇宙にはすぐ、砂の城ともいうべきかたまりがたくさんできました。どうしてそうなったかは、わかっていません。ビッグバンの後にはもっとエントロピーの高い、ごちゃごちゃした状態ができていた(というか多分そうだったはず)かもしれないのです。でも実際今の宇宙には星系や銀河や銀河星団といった天体、そしてそれらの間の空間という、きれいな秩序があります

エントロピー、または無秩序状態は、時間とともに増大していきます。外的な力がなくても、砂の城は勝手に崩れていきます。にもかかわらず、現在の宇宙のエントロピーはまだまだとても低いのです。つまりCarrollさんいわく、初期の宇宙のエントロピーはさらに低くて、今よりさらに秩序立っていたと考えられるんです。

そのことから、ビッグバン以前の宇宙のあり方がうかがえます。「多くの人が、初期の宇宙はシンプルで滑らかで何もなく、小さな波があるだけで、それが宇宙の始まりとして自然だと思われていました」とCarrollさん。「でもエントロピーについて考えると、見方を変えて別の説明を付け加える必要があると気づくのです」

エントロピー以外にも、ビッグバン以前について考えるとき、現在の宇宙との整合性を考慮すべきことはたくさんあります。そんなビッグバンの前の宇宙について説明するアイデアと、それぞれの視点についてみていきましょう。

1.はずむ宇宙

ひとつの考え方は、今あるエントロピーの低い宇宙は、その前にあった宇宙が壊れていくところから始まったというものです。この考えは「ビッグバウンス(大きなはずみ)」とも呼ばれています。この考え方では、元々存在していた宇宙が、重力が無限となる特異点に達するまで内向きに崩壊していったことを想定しています。この考え方は1960年代にはすでに存在していましたが、1980年代〜90年代初頭にかけてより真剣に検討されるようになりました。

さらにこの現象は1回でなく、複数回あった可能性もあります。つまり宇宙はアコーディオンのように、膨張と収縮を無数に繰り返しているかもしれないんです。

ビッグバンの前の宇宙ってどうなってたの? だいたい3方向の考え方 2

爆発する超新星。image: NASA/CXC/SAO

ただし、ビッグバウンス説には問題があります。特異点で爆発するという考え方が、重力の働きの法則であるアインシュタインの一般相対性理論と矛盾するのです。この宇宙でも、ブラックホールの中に特異点が存在すると考えられていますが、物理法則では別の宇宙が崩壊して特異点に達したら爆発するという仕組みは説明できません。ビッグバウンスを説明するには、相対性理論に代わる新たな理論とともに新たな粒子や場が必要になります。「一般相対性理論の中には『宇宙は特異点に達したらバウンドする』と示すようなものが何もないのです」とCarrollさんは言います。

さらに大きな問題は、宇宙がバウンドするとしたら、そこでは時間とともにエントロピーが減少していく必要があることです。でもエントロピーは、これまで確立された物理法則においては、時間とともに必ず増大します。

だからってそれは、宇宙が今までバウンドしたことがない、という意味ではなく、現在の理論が不完全なだけかもしれません。今までの理論は、人間に観測できる宇宙のことしかカバーしていないんです。

2.冬眠する宇宙

一方で、宇宙は物理学者Kurt Hinterbichlerさんらが提唱したような、ゆっくりと進化する固定した空間だったかもしれないという考え方もあります。この考えでは、ビッグバン前の宇宙は準安定、つまり「より安定した状態がある」と気づくまでの仮の状態、だったのかもしれません。

それはたとえていえば、山のわきにあるくぼみの中で、ボールがゆらゆら動いているようなものです。つまり、ちょっとした衝撃でボールは谷に向かって転がり始めるんです。宇宙の場合でいえば、のんびり冬眠していたのが、ちょっとした刺激でビッグバンに向かっていった、ということです。

でも、この「冬眠する宇宙」説にも問題があるとCarrollさんは言います。というのはこの説でも、我々の宇宙の始まりはエントロピーが低かったことになっていて、その理由の説明がないのです。

でも上記のHinterbichlerさんは、それを問題視していないようです。「我々はただ、今我々が見ている状態がなぜこうなのかがわかるような、ビッグバン前の説明を求めているのです。それが最大限望めることなんです」

でもCarrollさんは、エントロピーの低い宇宙を説明できる別の理論があると考えています。それが以下の多元宇宙論です。

3.多元宇宙論

Carrollさんによれば、ビッグバウンス説の「時間とともにエントロピーが減少する」問題を回避するとともに、我々が今見ているエントロピーの低い宇宙を説明する考え方が、多元宇宙論です。この考え方は、広く受け入れられてはいるものの未完成のインフレーション理論から派生したものです。

インフレーション理論とは、マサチューセッツ工科大学(MIT)のアラン・グースさんが1980年に発表したもので、そこでは宇宙空間はビッグバン直後、超光速で膨張したとされています。量子力学では空間のエネルギーにはつねにランダムかつ小さな変動がありますが、インフレーションの間はこれらエネルギーの上下が非常に大きくなったとされます。そしてそれによって、今宇宙にある大規模かつ低エントロピーの銀河や宇宙空間といった構造ができたとされています。

インフレーション理論は、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の観測によって発展してきました。CMBはビッグバンの始まりから数十万年後、我々が観測できる中で一番古く、一番遠くから来る光です。そしてインフレーション理論は、CMBの観測結果とぴったり一致しているのです。

ビッグバンの前の宇宙ってどうなってたの? だいたい3方向の考え方 3

親の宇宙から生まれる赤ちゃん宇宙のイメージ。(Image by Jason Torchinsky)

多元宇宙は、インフレーションの結果だと考える人もいます。それは巨大な膨張するスープで、そこから小さな、エントロピーの低い宇宙が泡のように飛び出してくるのです。これら宇宙はお互いにコミュニケーションをとることはできません。PBS NovaのMarcus Wooさんは次のように説明しています。

1980年代前半、物理学者たちはインフレーションが永遠に続くこと、宇宙の一部においてのみ止まることを発見した。だがこれらの隙間でもインフレーションは続き、光より高速に拡大していった。そのためこれらの泡はお互いから引き離され、独自の物理法則を持つ、事実上孤立した宇宙となっていった。

Carrollさんはこの記事で紹介したアイデアの中でも、この多元宇宙モデルが一番適切だと考えています。でも彼の考える多元宇宙は上記とはちょっと違っていて、「(自分の考えは)多元宇宙論のひとつのバージョンですが、違うのはエントロピーの低い宇宙が生まれるとき、親の宇宙のエントロピーは大きくてもいいということです」と言っています。このモデルが示唆するのは、ビッグバンの前に巨大な膨張する空間があり、そこから我々の宇宙や他の宇宙が生まれてきたということです。他の宇宙は我々側から検知することができず、またその始まりは、我々の宇宙より前かもしれないし、後かもしれません。

ただ前出のWoitさんは、多元宇宙論はポピュラー・サイエンスとしてキャッチーであるものの、これによって物理学者が根本的な問いかけを止めてしまうことを懸念しています。

「理論家たちは、宇宙は無数にあるのではないかというアイデアを持っていました。そして、(粒子の性質などを表す)数字が宇宙ごとにみんな違っているようなモデルを考えることは可能です」とWoitさんは言います。ただ彼は、「なんでもあり」だからといって、我々が今ある宇宙は「たまたまこうなったんだ」として説明をあきらめてはいけないと考えています。

でもCarrollさんは、ビッグバン以前の研究について楽観的です。「私たちにもわかっていないんです」と釘を刺しながらも、彼はこう語ります。「これらは今やっと真剣に受け止められるようになっている推測的アイデアですが、希望はあります。続けていけばきっと、本当に理解できるようになると考えています」

image: NASA, ESA, CXC, NRAO/AUI/NSF, STScI, and G. Ogrean (Stanford University)
source: Sean Carroll, e-LUMINESCIENCES, IOP Science, INSPIRE HEP, PBS Nova

Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US[原文
(福田ミホ)