宇宙の膨張は本当に幻想なのでしょうか？

伝統的に、宇宙論の標準モデルでは、宇宙はビッグバンから始まり、その後膨張と冷却が続いたとされています。しかし、新たな研究により、巧妙な数学的トリックに基づいて宇宙を「ズーム」することができ、膨張は単なる錯覚である可能性があることが判明した。このアイデアは精査に耐えられるでしょうか?

イーサン・シーゲル

翻訳 |劉航

画像ソース: geralt/pixabay

1920 年代に、2 つの同時進行する発展が、宇宙に関する現代の理解への道を開きました。理論的には、一般相対性理論に従えば、物質とエネルギーで均一に満たされた宇宙は静的で安定しているのではなく、膨張するか崩壊するかのいずれかであると推測できます。観測の面では、私たちは天の川銀河の向こうにある銀河を観測できるようになり始めており、（平均して）私たちから遠い銀河ほど、私たちに対する相対的な速度も速いことが判明しています。

理論と観察を単純に組み合わせることで、宇宙の膨張という概念が生まれ、それ以来ずっと存在し続けています。ビッグバン、宇宙のインフレーション、宇宙構造の形成、暗黒物質と暗黒エネルギーを含む私たちの宇宙論の標準モデルは、膨張する宇宙に基づいています。

しかし、宇宙の膨張は絶対に必要なのでしょうか、それとも他の可能性もあるのでしょうか?最近、興味深い新しい論文[1]が注目を集めています。その中で理論物理学者のルーカス・ロンブライザーは、一般相対性理論の方程式にいくつかの変更を加えることで、宇宙の膨張を「消滅」させることができると示唆しています。彼のビジョンでは、観測された宇宙の膨張は単なる幻想に過ぎなかった。しかし、これは私たちが科学について知っていることと一致するのでしょうか?

真空中では、波長やエネルギーに関係なく、すべての光は同じ速度、つまり真空中の光速度で進みます。遠くの星からの光を観察するとき、私たちが見ている光は実際には発生源から観察者までの旅を完了しています。画像クレジット: Lucas Vieira/Wikimedia Commons

物理学の等価性

時には、同じ現象を理解する方法がたくさんあることに気づくことがあります。 2 つのアプローチが物理的に同等である場合、それらの間に違いはなく、選択は単に個人の好みの問題であることがわかります。

光学を例にとると、光を波として（ホイヘンスのように）記述することも、光線として（ニュートンのように）記述することもできます。ほとんどの実験状況では、どちらの記述でも同じ予測が導かれます。
量子物理学の分野では、量子演算子は量子波動関数に作用します。波動関数で粒子を記述し、量子演算子を変更せずに粒子を進化させることを選択できます。あるいは、粒子の波動関数を変更せずに量子演算子を進化させることもできます。
あるいは、アインシュタインの相対性理論でよくあるように、時計を持った 2 人の観測者を想像してください。1 人は地上に、もう 1 人は走行中の列車に乗っています。この現象は、2 つの異なる観点から同等に説明できます。地面を「静止」させ、列車に乗っている観察者は移動中に時間の遅れと長さの収縮の影響を経験します。あるいは、列車を「静止」させ、地上の観測者が時間の遅れと長さの収縮の影響を体験する。
「相対的」という言葉が示すように、これらのシナリオが互いに同じ予測を与える場合、いずれかが他方と同等になります。

アインシュタインによって確立された相対性理論の革命的なアイデア（アインシュタイン以前にも、ローレンツ、ジョージ・フランシス・フィッツジェラルドらが同様の数式を導き出していた）は、高速で移動する物体は空間内で収縮するが、時間は膨張するように見えるというものである。静止した観測者に対してより速く移動すると、長さはより縮んで見え、外の世界に対しては時間はより長く見えるようになります。地上に立っている観察者にとっては、列車は収縮し、列車内の時間は膨張することになります。電車内の観察者にとって、外の世界は長さの収縮と時間の遅れを経験するでしょう。画像出典: C. Renshaw、IEEE、1996

相対性理論における後者のシナリオは、数学者が一般的に使用する座標変換が私たちに何らかのインスピレーションを与える可能性があることを示唆しています。私たちは、約 400 年前のルネ デカルトと同じように座標について考えることに慣れているかもしれません。つまり、方向/次元は互いに垂直で、軸は同じスケールを持ち、これは私たち全員が学んだ直交座標系です。

しかし、デカルト座標だけが有用な座標系ではありません。たとえば、軸対称のオブジェクトを扱う場合、円筒座標を使用する方がよい場合があります。中心点を中心に対称なオブジェクトを扱う場合、球面座標を使用する方が合理的である可能性があります。空間だけでなく時空を扱う場合（「時間」の次元が「空間」の次元とは根本的に異なる動作をする）は、空間と時間を関連付けるために双曲座標を使用する方が便利です。

座標メソッドの優れた点は、それが単なる 1 つのオプションであるということです。システムの背後にある基本的な物理学を変えない限り、宇宙のあらゆるものを記述するために、好きな座標系を自由に選択できます。

ブラックホール形成の臨界点を超えると、事象の地平線内にあるすべてのものは、最大でも 1 次元の特異点に圧縮されます。 3次元構造物はそのまま残っていませんでした。しかし、興味深い座標変換により、ブラックホール内部のすべての点が外部の点と 1 対 1 で対応していることが示され、各ブラックホールの内部に小宇宙が生まれるという数学的に興味深い可能性が浮上します。画像ソース: vchalup / Adob​​e Stock
座標の再定義: 膨張する宇宙の「逆」

膨張する宇宙に適用できる明白なアプローチがあります。伝統的に、束縛されたシステム（原子核、原子、分子、惑星、さらには恒星系や銀河など）内の距離は時間の経過とともに一定であると指摘されています。私たちはそれらを「定規」として使うことができ、いつでも正確に距離を測定できます。これを宇宙全体に当てはめると、遠くの（束縛されていない）銀河が互いに遠ざかっていくのがわかるので、宇宙は膨張していると結論付け、膨張率が時間とともにどのように変化するかという関係を見つけようとします。

では、逆に考えてこれらの座標を再定義してみませんか。つまり、宇宙の（束縛されていない）銀河間の距離を固定したまま、私たちの「定規」と他の束縛された構造を時間の経過とともに縮小させるのです。

この選択は軽率に思えるかもしれないが、科学においては、問題の見方を変えることで、元の視点では明らかではなかった特徴が明らかになり、新しい視点では明らかになることがある。座標の再定義には多くの要望があり、それがまさにロンブライザー氏が新しい論文で探求していることです。この逆の視点から見ると、最大のパズルについてどのような結論を導き出せるでしょうか?

これは、宇宙の膨張に合わせて縮小された宇宙構造形成の中解像度シミュレーションであり、暗黒物質が豊富な宇宙における数十億年にわたる重力の成長を示しています。興味深いことに、フィラメントと、フィラメントが交差する場所の豊富な銀河団は、主に暗黒物質によって生成されます。通常の物質は小さな役割しか果たしません。シミュレーションの規模が大きくなるにつれて、小規模な構造は本質的に過小評価されるか、より「平滑化」されるようになります。画像提供: ラルフ・ケーラーとトム・アベル (KIPAC)/オリバー・ハーン

従来の宇宙論的見解とは対照的に、質量、長さ、時間のスケールがすべて変化し進化することを犠牲にして、宇宙を静的で非膨張として再構築することができます。私たちの目標は宇宙の構造を一定に保つことなので、膨張して曲がった空間（密度の不均一性が増大する空間）を持つことはできません。そのため、これらの進化の影響はどこか別の場所にある必要があります。質量スケールは、距離スケールや時間スケールと同様に、空間と時間の進化とともに進化する必要があります。これらは、宇宙を説明するために組み合わせたときに標準的な説明の「逆」を構成するように、正確な方法で共進化する必要があります。

もう 1 つのアプローチは、宇宙の構造、質量スケール、長さスケール、および時間スケールを一定に保つことですが、その代償として、宇宙の基本定数が特定の方法で共進化し、宇宙のすべてのダイナミクスがそれらに「エンコード」されることになります。

従来の見方の方がより直感的であるため、上記の 2 つの記述に異議を唱えたくなるかもしれません。しかし、前に述べたように、数学が同じで、どの視点からの予測にも目に見える違いがない場合、それらを宇宙に適用しようとすると、それらはすべて同じ妥当性を持ちます。

膨張していない宇宙はどのように見えるでしょうか?

宇宙の赤方偏移を説明したいですか?この新しい画像では、別の方法で解釈することができます。標準画像の場合:

原子は原子遷移を経験する。
特定の波長の光子を放出します。
この光子は膨張する宇宙を旅し、その途中で赤方偏移します。
観測者がそれを受信すると、その波長は観測者の研究室での同じ原子遷移の波長よりも長くなります。

鉄原子には多くのエネルギーレベルがあり、電子遷移にもさまざまな選択規則があります。多くの量子システムは効率的なエネルギー転送を実現するために制御できますが、生物システムが同じように動作する例はありません。出典: Daniel Carlos Leite Dias Andrade 他、会議: 25 度 CSBMM – Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise、2015

実験室で行える唯一の観察は、受信した光子の観測波長を測定し、それを実験室の光子の波長と比較することです。このプロセスには、電子質量の変化、プランク定数 (ℏ) の変化、(無次元の) 微細構造定数 (または他の定数の組み合わせ) の変化が含まれる可能性があります。遠方の光子について測定される赤方偏移は、互いに区別できないさまざまな要因によるものである可能性があります。驚くべきことに、これらの複数の要因を適切に拡張すると、重力波にも同じ種類の赤方偏移がもたらされます。

風船が膨らむと、表面に張り付いたコインが互いに離れていくように見え、遠くにあるコインは近くにあるコインよりも速く離れていきます。あらゆる光は赤方偏移し、風船が膨張するのと同様に、光の波長はより大きな値に「引き伸ばされ」ます。この画像は宇宙の赤方偏移を非常によく説明しています。画像クレジット: E. シーゲル/Beyond the Galaxy

同様に、宇宙で構造がどのように成長するかを再構築することもできます。通常、標準的な図では、宇宙の平均密度よりもわずかに高い密度の領域である、わずかに高密度の空間領域から始まります。そして時間が経つにつれて:

この領域の重力の乱れは周囲の領域よりも多くの物質を引き寄せます。
このため、この領域の空間は宇宙の平均的な膨張よりもゆっくりと膨張します。
密度が増大するにつれて、最終的に閾値を超え、重力によって束縛された状態が引き起こされます。
この領域は重力収縮し始め、星団、銀河、さらにはより大きな銀河群などの宇宙構造の一部を形成しました。
宇宙の高密度領域の進化を追跡する代わりに（ある意味では密度場の進化を追跡する）、質量スケール、距離スケール、および時間スケールの組み合わせた進化を考慮することもできます。同様に、プランク定数、光速度、重力定数の変化を考慮することもできます。私たちが目にする「成長する宇宙構造」は、宇宙の成長の結果ではなく、むしろこれらのパラメータが時間の経過とともに根本的に変化し、観測可能なもの（構造や観測されたサイズなど）が一定のままである可​​能性があります。

典型的な、または「通常の」高密度領域では、徐々に豊かな構造が形成されますが、密度の低い「空隙」領域では、構造が少なくなります。しかし、初期の小規模構造は、最も密度の高い領域（ここでは「Rarepeak」と表示）によって占められており、この領域は最も速く成長し、最高解像度のシミュレーションでのみ詳細に観察できます。画像出典: J. McCaffrey 他、Open Journal of Astrophysics (投稿中)、2023

このアプローチを取れば、たとえそれがいかに不自然に見えても、現在説明されていない宇宙の特徴のいくつかを再び説明することができるようになります。たとえば、「宇宙定数」の問題があります。何らかの理由で、宇宙は、本質的に一定のエネルギー密度を持つフィールドで空間を満たしているように見えます。このエネルギー密度は、宇宙が膨張しても薄まったり変化したりしません。この質問は昔は重要ではありませんでしたが、物質の密度が特定の臨界閾値以下に薄まったため、現在は重要です。なぜ宇宙のエネルギー密度がゼロではないのか、またそれが観測される暗黒エネルギーと一致する値をとるのかはわかっていません。標準的な図では、これは説明できない謎です。

しかし、この再構築では、新しい構築に応じて質量スケールと距離スケールが変化すると、宇宙定数の値とプランク長さの2乗の逆数の間に関係が生じます。さらに、プランク長は宇宙の進化に伴って変化し、その進化は観測者の観点から見ると、現在観測されている値はまさにこの瞬間に観測された値です。時間、質量、長さがすべて一緒に進化すると、宇宙論におけるいわゆる「一致問題」は解消されます。どの観測者も、その「現在の瞬間」に有効な宇宙定数を観測しますが、これは、その「現在の」瞬間が宇宙の時間とともに変化しているため重要です。

光子放射密度 (赤)​​、ニュートリノ密度 (黒の破線)、物質密度 (青)、暗黒エネルギー密度 (点線) の時間経過に伴う変化の模式図。数年前に提案された新しいモデルでは、暗黒エネルギーは図の黒い実線に置き換えられており、これは現在、私たちが仮定している暗黒エネルギーと観測的に区別できません。 2023 年現在、膨張する宇宙の暗黒エネルギーは、状態方程式の「定数」と約 7% 異なる可能性があります。それ以上の違いはデータによって厳密に制限されます。画像出典: F. シンプソン他著「暗黒宇宙の物理学」、2018年

この場合、暗黒物質を、粒子の質量が初期段階で収束的に増加する幾何学的効果として再解釈できる可能性がある。彼らはまた、暗黒エネルギーを、粒子の質量が後期に発散的に増加する幾何学的効果として再解釈することもできる。興味深いのは、暗黒物質を再解釈するさまざまな方法であり、宇宙の膨張が、暗黒物質の候補粒子として知られているアクシオンスカラー場と暗黒物質場との相互作用の結果として再解釈されるというものです。アクシオンスカラー場と他の場との結合により CP 対称性の破れが発生します。これは、私たちの宇宙で物質と反物質の非対称性を生み出す重要な要素の 1 つです。

現実の幻想

このように問題について考えると、多くの興味深い結論が導き出されます。初期の「サンドボックス」段階でこの種の数学的探究を行うことを誰もが妨げるべきではありません。このようなアイデアは、将来、現在受け入れられている宇宙論の標準モデルを超える理論的基礎の一部を形成する可能性があります。

しかし、これは純粋に一般相対論の観点からは興味深いものですが、現代の宇宙学者のほとんどはこれらの問題を考慮しようとしません。なぜなら、たとえ実験的に観察し、これらの再構築が宇宙規模で許容できることを証明したとしても、それは地球上で観察されたものと完全に矛盾することになるからです。

水素原子が形成されるとき、電子と陽子のスピンは平行または反平行になる可能性が同等です。これらが反平行であれば、それ以上の遷移は発生しませんが、平行であれば、量子トンネル効果によってより低いエネルギー状態に移行し、非常に長い時間スケールで特定の波長の光子を放出することができます。この遷移は1兆分の1の精度で測定されており、数十年間にわたって一定のままであり、プランク定数、光速、電子の質量、およびそれらの組み合わせに制約を課しています。画像出典: Tiltec/Wikimedia Commons

たとえば、次のビューを考えてみましょう。

質量、電荷、長さ、寿命などの素粒子の特性の変化は、
あるいは、光速度、プランク定数、重力定数の変化などの基本定数。
観測可能な観点から見ると、私たちの宇宙はわずか 138 億歳です。私たちは何十年にもわたって実験室で量子システムの高精度測定を行ってきましたが、最も正確な測定では、電子の磁気モーメントの精度は1兆分の1.3にも達することが示されています[2]。粒子の特性や基本定数が変化すると、実験室での測定値も変化します。そして、ルーカス・ロンブリッサーらが再構築した理論によれば、2009年以来の約14年間で、私たちは、最も精密な測定よりも何千倍も正確なこれらの精密な測定から、約10億分の1の差という変化を観察できたはずだ。

電子の磁気モーメントは2007年と2022年ともに極めて高い精度で測定され、その差は10兆分の1以下（初期の測定精度の限界）であり、微細構造定数は変化していないことが示されました。
水素原子のスピン反転遷移により、21.10611405416センチメートルの正確な波長を持つビームが生成され、その不確かさはわずか1.4兆分の1であり、1951年に初めて観測されて以来変わっていません。時が経つにつれて、物理学者はより正確な測定を行い、プランク定数は変化していないことが示されました。
慣性質量（重力定数の影響を受けない）と重力質量（影響を受ける）の等価性を測定するエトヴェシュの実験では、2017年時点で、2つの「タイプ」の質量の等価性は非常に大きく、1兆分の1に達することが示されています。

等価原理は、重力による加速度と宇宙の他の力によって引き起こされる加速度の間に違いはないはずだと述べています。一方は重力定数に依存し、もう一方は依存しません。等価原理の最も正確なテストは、MICROSCOPE 衛星によって 10 のマイナス 15 乗の精度で実行されました。これは、重力定数が時間とともにどのように変化するかを制限する方法です。画像クレジット: APS/Carin Cain

宇宙の標準的な見方の顕著な特徴は、宇宙の歴史を通じて、地球上で適用されるすべての物理法則が、宇宙のあらゆる場所、あらゆる瞬間に等しく適用されるという点です。地球上で失敗する宇宙論的アイデアは、すべての物理システムで成功するアイデアよりもはるかに興味深くありません。膨張する宇宙という従来の見方が地球上の物理学と一致し、別の見方がより大きな宇宙を説明するのにうまく機能するが地球上では機能しない場合、膨張する宇宙は幻想であるとは言えません。結局のところ、地球上の物理学は、私たちにとって最も現実的で、最も正確に測定され、最も厳密にテストされたアンカーなのです。

これは、Classical and Quantum Gravity、Journal of High Energy Physics、Journal of High Energy Physics などのこの種の推測的、探索的な研究を掲載するジャーナルが評判が良くなく、質も高くないということではありません。実際、それらは非常に権威のあるものです。これらは特定の分野の専門誌であり、実験の分析や理解よりも初期宇宙の理論的探究に興味を持っています。ぜひ、標準的な宇宙論（および素粒子物理学）の現実的な代替案を探求し続けてください。しかし、現実をすべて捨て去ることが実行可能な選択肢であるかのようにふるまわないでください。ここで唯一の「幻想」は、私たちが観察し測定する現実であり、これは私たちの宇宙を理解する上で非常に重要です。

参考文献

[1] ルーカス・ロンブライザー2023年クラス。量子重力。 40 155005、DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41

[2] 物理学レット牧師130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801

著者について

イーサン・シーゲルは、物理学と天文学を教える天体物理学者、作家、科学コミュニケーターです。 2008 年以来、彼のブログ「Starts With A Bang!」は、英国物理学会の最優秀科学ブログ賞をはじめ、数々の科学執筆賞を受賞しています。 『Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive, Beyond the Galaxy』の著者。

イーサン・シーゲル、膨張する宇宙は本当に幻影なのだろうか？
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/expanding-universe-mirage/、著者の許可を得て「Fanpu」に掲載。

制作：中国科学普及協会

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