ビッグバン以前の宇宙はどのような様子だったのでしょうか？

新たな研究によれば、無限の膨張と崩壊を繰り返す宇宙の新しいモデルには、まだ始まりが必要だという。

跳ね返る宇宙モデルは特異点の問題を解決しますが、それ自体に欠陥もあります。 (画像提供: NASA/WMAP 科学チーム/ロバート)

「跳ねる宇宙」モデルとして知られる、無限に膨張と収縮を繰り返す周期的な宇宙という概念に基づく新たな研究は、その存在に関する厄介な問題を指摘している。

跳ね返る宇宙モデルは、宇宙には始まりがないと提唱しており、ビッグバン理論では説明できない問題、つまり特異点から宇宙の急速な膨張の始まりまでの期間に何が起こったのかという問題を排除しています。

バッファロー大学の研究者らは、この新しい跳ねる宇宙モデルは、宇宙で利用できないエネルギーの指標であり、増加する一方であるエントロピー問題に対処しようとするものだが、これまで提案されてきた無限の膨張と収縮のモデルと同じ欠陥を抱えていると述べている。それでも、宇宙には始まりがあったことが必要です。

バッファロー大学の物理学者ウィル・キニー氏は次のように語った。「宇宙が無限に過去に遡るというバウンド宇宙の理論が提唱されているが、この種の最新モデルの1つは意味をなさないことが分かっている。エントロピー問題を解決するこの最新モデルは、宇宙に周期があるとはいえ、やはり始まりがなければならない。」

宇宙の起源について一般的に受け入れられている理論は、「宇宙インフレーション」理論と呼ばれています。この理論は、宇宙の始まり以前には、宇宙のすべてのエネルギーは特異点（物理学では説明できない微小な点）に含まれていたと提唱しています。

ビッグバン理論によって提唱された極めて急速な膨張期間の後に特異点は消滅し、その後宇宙は膨張して冷え始め、最初に水素原子、次に重元素、そして最後に星と銀河という物質の形成につながりました。

問題は、ビッグバン理論は爆発後のほんの一瞬から138億年後の今日見られる構造までの宇宙の構造を説明できるが、特異点からこの膨張の始まりまでの状況、さらには膨張の原因さえも説明できないことだ。

宇宙の膨張を示す図。 （出典：ゲッティイメージズ）

跳ね返る宇宙の理論はこの問題を排除します。この理論では、膨張と収縮の期間が交互に無限に発生するため、始まりはなく、したがって始まりの前に何が起こったかを説明する必要はありません。宇宙は宇宙インフレーションモデルが提唱するものと同様の膨張を経験するが、その後「大崩壊」という形で回復する。

したがって、新たな拡大期は、特異点ではなく、前のサイクルの崩壊から始まります。しかしキニー氏は、跳ね返る宇宙の理論には欠陥があると考えている。

「残念ながら、これらの周期的モデルは、宇宙が時間の経過とともに無秩序になったりエントロピーが増加したりして、各サイクルが前のサイクルと異なるため、ほぼ 100 年間否定されてきました。これは実際には周期的ではなく、エントロピー増加の問題に関して提案された最新の周期的モデルは、宇宙のエントロピーが膨張の各サイクルの後に少しずつ薄まることを示唆しています。」

キニー氏は、この新しい跳ねる宇宙モデルは、ブラックホールなどの宇宙構造を取り除くためにすべてを引き伸ばし、それによって次のサイクルが始まる前に宇宙を元の均質な状態に戻そうとすると述べた。

この仮説は鼓動する宇宙に基づいて存在する可能性があります。 「エントロピー問題を解く際に、我々はすでに宇宙には始まりがあったと仮定していることがわかる。そして我々の議論は、一般的に膨張を通じてエントロピーを除去するあらゆる循環モデルには始まりがなければならないことを示している」と彼は語った。 「しかし、我々の議論は、我々が研究している、宇宙が各周期で無限に膨張するというロジャー・ペンローズが提唱した周期モデルには当てはまらない。」

キニーさんのパートナーは、UBの物理学博士課程の学生、ニーナ・スタインさんです。彼女は、跳ね回る宇宙を研究する際に二人が遭遇する問題を強調する。「以前は何も存在せず、時間も存在せず、私たちも存在しなかった時点があり、その時点以前に何が起こったのかを知りたいのです」— すべての科学者がそうであるように。

しかし、私たちが知る限り、エントロピーを含む宇宙のすべてのモデルには、「始まり」がなければなりません。誰にも答えられない質問が常に一つあります。つまり、「これより前に何が起こったのか？」

これは、宇宙と時間が存在する前に何が存在していたのかが今日に至るまで謎のままであり、今後もしばらくの間、宇宙学者の間で激しい議論が続くであろうことを意味します。

「初期の宇宙に興味を持つ理由はたくさんあるが、私が一番気に入っているのは、何が起こったのかを知りたいと思うのは人間の自然な傾向だ」とスタイン氏は語った。 「人類の文化と歴史を通じて、人類は宇宙の始まりについての物語を語ってきました。私たちは常に、自分たちがどこから来たのかを知りたいと思っていました。」

キニー氏とスタイン氏の研究結果は、「Journal of Cosmology and Astroparticle Physics」の6月号に掲載された論文で議論されている。

著者:ロバート・リー

FY: いろいろ

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