「多世界宇宙の探検」永久インフレーション理論による無からの宇宙創成

著者が主張する、永久インフレーション理論によると、量子論の「トンネル効果」によって、宇宙は時間も空間もない「無」から泡のように誕生したのだという。

無限の宇宙では、物理的に可能であれば、どのような稀な現象もいずれは発生するということですが。。。

我々の住んでいる閉じた宇宙が、真空のゆらぎから誕生する確率は、サルがタイプライターをでたらめに叩いてシェイクスピアの『ハムレット』の全文ができる確率より遥かに小さいのです！

「無」からの宇宙創造というシナリオは、神がこの世を創ったという宗教論に科学者としての立場から真っ向から対峙します。

当然、本著をすべて理解することなど到底不可能。。。読み進めるのは容易ではなく、これまでに一体何度寝落ちしたことか 笑

それでも、最新の物理学が描く宇宙論は興味が尽きません。またまた宇宙論の傑作本に巡り合ってしまいました。

0. 『多世界宇宙の探検』

1. 宇宙創世記

1.1　ビッグバンはどのようにして起こったのか

新しい理論によるビッグバンの説明は、宇宙は、反発力として働く重力によって膨張した（アラン・グース）

この奇妙な反重力物質は、膨張しても物質の密度が常に同じである

重力エネルギーは負なので、物質の正のエネルギーが大きくなるにつれて、負の重力エネルギーの大きさも大きくなるので、平衡が保たれてエネルギー保存則が保たれる

反重力物質が崩壊するにつれて、そのエネルギーが放出されて、素粒子の熱い火の玉を生み出す（インフレーションの終わり）

反重力物質などというものからいきなり始まるので、面食らってしまいます。。。が、反重力物質を最初に考えたのはアルバート・アインシュタインだったそうです。

1.2　反重力の栄光と凋落

宇宙定数 = 真空の張力（空間を縮ませる方向の働き、真空のエネルギー密度と同じ）

張力とは引き伸ばされた輪ゴムが縮むのと同じ（風船を膨張させる圧力の反対）

張力 = 負の圧力

物質を限りなく膨張させると、重力がゼロを通り越してマイナス（反発力）になる

アインシュタインのこの宇宙定数は、その後、宇宙が膨張していることが発見されて、間違いであったと後悔することになるのは有名な話ですね。

ところが。。。どうやら反発力としての重力が、その後に復活するという話のようです。

1.3　宇宙創造をめぐる問題

フリードマンの解（ビッグクランチとビッグバン）は、宇宙が開いているか閉じているか、論文の中でどちらのモデルにも優先権を与えなかった

宇宙の曲率がプラス（閉じている）かマイナス（開いている）かで、宇宙の運命が決まるというヤツですね。

ごく小さくマイナス（開いてる）ので、宇宙は永遠に膨張を続けるというのが定説になっていると記憶しています。

1.4　現代版宇宙創成の物語

どんな種類の粒子にも、まったく同じ質量と反対の電荷を持つ反粒子が存在する

W粒子とZ粒子は現在粒子加速器の中で作り出せる最も重い粒子（電子より30万倍重い）

1.5　インフレーション宇宙

ビッグバン以後光が進んだ距離は約400億光年で、これは地平線距離と呼ばれる

ビッグバンが約137億年前なのに、なぜ400億光年なのか？

ChatGPTにきいてみました。

Q

ビッグバンが37億年前なのに、なぜビッグバン以後光が進んだ距離は約400億光年なのですか?

ChatGPT

ビッグバンが約137億年前（13.8 billion years ago）に起こったとされていますが、それなのにビッグバン以後光が進んだ距離が約400億光年（40 billion light years）に達している理由は、宇宙の膨張によるものです。以下に詳しく説明します。

1. ビッグバンと宇宙の膨張:

ビッグバンは宇宙が非常に高温高密度の状態から急激に膨張した出来事です。その後、宇宙は冷却され、現在のような宇宙が形成されました。

宇宙はビッグバン以来、常に膨張し続けています。この膨張は、空間そのものが拡大することを意味します。

2. 観測可能な宇宙のサイズ:

私たちが観測できる宇宙の範囲（観測可能な宇宙、observable universe）は、光がビッグバン以来進んだ距離に基づいて決まります。しかし、これは単純に光が進んだ距離だけではありません。

宇宙が膨張しているため、光が出発した地点と現在の位置の間の距離は時間と共に拡大しています。これにより、光が進んだ距離以上に遠くの天体からの光を観測できるのです。

3. 膨張率の変化:

宇宙の膨張速度は時間と共に変化しています。特に、初期宇宙の膨張は非常に速かった（インフレーション理論による急激な膨張期）ため、短時間で非常に遠くまで光が到達できました。

現在でも、宇宙の膨張は加速しています。これにより、遠くの天体からの光が地球に届くまでの間に、空間がさらに膨張してその距離が拡大します。

4. 光の距離と宇宙の膨張:

現在観測される最も遠い天体（例えば、宇宙背景放射や初期銀河）の光は、出発時点では比較的近くにありましたが、その間に宇宙が膨張したため、現在ではその距離がはるかに遠くなっています。

このため、ビッグバンからの時間が137億年でも、観測可能な宇宙の端までの距離は膨張の影響で約400億光年に達しているのです。

つまり、ビッグバン以後光が進んだ距離が約400億光年に達している理由は、宇宙の膨張によるものであり、空間そのものが時間と共に拡大することで、光が進む距離以上に観測可能な範囲が広がるからです。

なるほど～

宇宙の膨張のスピードって、光速を超えているんですね。。。スゴイ

ビッグバンの1秒後に、宇宙の物質の密度が臨界密度よりも1パーセント高い値を持っていたとすると、1分もしないうちに臨海密度の2倍に達し、3分ちょっとで宇宙は収縮に転じているでしょう。

同じように、臨界密度の1%低い値を持っていたとすると、1年後に宇宙の密度は臨界密度の30万分の1にまで小さくなり、星と銀河は決して生まれない

計算すると、ビッグバンの1秒後に宇宙の密度は、臨密界度の1パーセントの十兆分の1以内の精密さで、臨界密度に一致していなくてはならない

これが人間原理に繋がるわけですね

臨界密度を上回っている　→　宇宙は閉じている（収縮）

臨界密度とぴったり一致している　→　宇宙は平坦

臨界密度を下回っている　→　宇宙は開いている（膨張）

偽の真空

日常的な真の真空のエネルギーは極めて小さいが、正のエネルギー（１立方メートル当たり3個の水素原子の質量に相当）を持っている

アラン・グースの提唱したインフレーション理論は、地平線問題と平坦性問題を解決したかに見えたが、この理論はうまくいかませんでした。。。

1.6　捨て去るには美しすぎる

詳しく検討してみると、偽の真空は予想していたほどスムーズに崩壊しない　→　泡の形成

スカラー場は素粒子物理学で重要な役割を果たしている

スカラー場の振る舞いは、エネルギー・ランドスケープの傾斜に沿って転がるボールの動きと非常によく似ている

量子力学の理論によれば、物体はエネルギー障壁を「トンネルして」通り抜けることができる（量子トンネル効果）

平坦な領域ではスカラー場は非常にゆっくりと転がるので、スカラー場が子の平坦な領域を横断するのには長い時間がかかる

場が最終的に最小値に達すると、振動して、場に蓄えられていたエネルギーが粒子の熱い火として放出され、ひとつの巨大で熱い膨張する宇宙が生まれる

これでインフレーション理論は無事に救われました

スカラー場のランダムなゆらぎが、物質密度の不均一性となり、銀河や銀河団の形成に結び付いた

インフレーション膨張する風船は、狭い「ワームホール」によって外部の宇宙とつながっている

ワームホールは外からはブラックホールのように見える

ブラックホール内のワームホールで我々の宇宙は外部の別宇宙と繋がっている。。。何とも想像力を掻き立てられる話ですね！

偽の真空の球面がたどる運命は、その半径が臨界サイズ（真空のエネルギー密度、臨界半径は10兆分の1ミリメートル）より大きいかどうかに決定的に依存する

第1部の内容をまとめると。。。反重力物質の張力と、偽の真空、そして量子トンネル効果によって、インフレーション理論が確立し、臨海密度の絶妙な数値設定とスカラー場のランダムなゆらぎによってビッグバンで銀河や銀河団の形成につながった。

という感じでしょうか。。。

2. 永久インフレーション

1.7　反重力の石碑

1.8　ランナウェイ・インフレーション

インフレーションの場合には、互いに競い合うふたつの過程とは、偽の真空の崩壊と、インフレーション状態の領域の急速な膨張による「複製」である

崩壊の進行の速さ：半減期　＞　複製の速さ：インフレーションの「倍増時間」

インフレーションが宇宙全体で決して終わらず、インフレーション状態にある領域の体積は、際限なく増大し続ける！

インフレーションの終わりがビッグバンの役割を果たすので、ビッグバンとは、過去にただ1度だけ起きた出来事ではなく、それ以前に宇宙のはるか遠い場所ではビッグバンが何度も起こった

1.9　空が語った