真空の崩壊：究極の大惨事

2015年9月14日

真空の崩壊：究極の大惨事

https://cosmosmagazine.com/science/physics/vacuum-decay-the-ultimate-catastrophe/

物理学者が宇宙に浸透していると考えており、理論的には宇宙の終焉をもたらす可能性のあるヒッグス場の概念図。クレジット：David Parker/Getty Images

物理学者たちは時折、宇宙を破壊する新しい方法を思いつきます。時空が引き裂かれる「ビッグリップ」、冷たくて空っぽの宇宙に膨張する「ヒートデス」、宇宙の膨張が逆転する「ビッグクランチ」などがあります。でも私のお気に入りは、何と言っても真空の崩壊です。それは宇宙を一瞬で消し去る、素早く、きれいで、効率的な方法なのです。

参照画像：Newton

真空の崩壊を理解するには、私たちの宇宙に浸透しているヒッグス場について考える必要があります。電場と同じように、ヒッグス場はそのポテンシャルに基づいて強さが変化します。ポテンシャルを、ボールが転がっているトラックのように考えてみてください。トラックの上の方にあるほど、ボールのエネルギーは高くなります。

参照動画：宇宙を破壊する最も効率的な方法 - 偽の真空

ヒッグスポテンシャルは、宇宙が真空状態か偽の真空状態のどちらかにあるかを決定します。真空状態は安定した最低エネルギー状態で、谷底にじっと座っているようなものです。一方、偽の真空状態は、谷の壁のくぼみに座っているようなもので、ちょっとした力で簡単に転がり落ちてしまいます。偽の真空状態にある宇宙は「準安定」と呼ばれます。積極的に崩壊（転がり落ちる）しているわけではないけれど、かと言って完全に安定しているわけでもないからです。

準安定宇宙に住むことには2つの問題があります。1つは、十分に高いエネルギーのイベントを起こせば、理論的には、宇宙のごく一部を偽の真空から真空へと押し出すことができ、光速ですべての方向に膨張する真空の泡を作り出せるということです。そのような泡は致命的でしょう。

もう1つの問題は、量子力学によれば、粒子はある領域から別の領域へと障壁を「トンネル」で通過することができ、これは真空状態にも当てはまるということです。つまり、偽の真空状態に安住している宇宙が、ランダムな量子ゆらぎによって、突然自分の一部が真空状態になり、災難を引き起こす可能性があるのです。

真空崩壊の可能性は、最近よく話題になっています。ヒッグス粒子の質量の測定結果が、真空が準安定状態にあることを示唆しているからです。しかし、新しい物理学が介入して状況を救ってくれるだろうと考える十分な理由があります。

その理由の1つは、初期宇宙に想定されているインフレーション期、つまり宇宙が最初のほんの一瞬で急速に膨張した時期に、端の真空を真空状態へと押し出すのに十分な高いエネルギーが生成された可能性が高いということです。私たちがまだここにいるという事実は、次の3つのうちのいずれかを示唆しています。インフレーションが起こったエネルギーは私たちを崖から突き落とすほど高くなかった、インフレーションは全く起こらなかった、あるいは宇宙は計算結果が示唆するよりもずっと安定している、ということです。

もし宇宙が本当に準安定状態にあるなら、技術的には、量子過程によっていつでも遷移が起こり得ます。でもおそらくそんなことは起こらないでしょう。準安定宇宙の寿命は、現在の宇宙の年齢よりもはるかに長いと予測されているからです。

だから心配する必要はありません。でも、もし本当に真空が崩壊したらどうなるでしょうか？

真空の泡の壁は、光速ですべての方向に膨張するでしょう。あなたはそれが来るのを見ることすらできません。壁には莫大なエネルギーが含まれている可能性があるので、泡の壁があなたを突き抜けるときに、あなたは焼き尽くされてしまうかもしれません。真空状態が異なれば、自然の定数も異なるため、物質の基本構造も悲惨なほど変化してしまうでしょう。しかし、さらに悪いことになるかもしれません。1980年、理論物理学者のシドニー・コールマンとフランク・デ・ルシアは、真空の泡はすぐに完全な重力崩壊を起こすと初めて計算したのです。

彼らはこう述べています。「これは落胆させられます。私たちが偽の真空の中に生きている可能性を考えるのは、これまで一度も楽しいことではありませんでした。真空の崩壊は究極の生態学的大惨事です。新しい真空では、自然の定数が新しくなります。真空の崩壊の後は、私たちが知っている生命が不可能になるだけでなく、私たちが知っている化学も不可能になるのです。」

「しかしながら、新しい真空が、私たちが知っているような生命ではないにしろ、少なくとも喜びを知ることができるような生物を、時間の経過とともに維持してくれるかもしれないという可能性から、人は常にストイックな慰めを得ることができました。この可能性は今や排除されてしまったのです。」

真空の泡の内部で実際に何が起こるのかを確実に知るためには、より大きなマルチバース(多次元宇宙)を記述する理論が必要ですが、私たちにはまだそれがありません。ただ、はっきり言えることは、良いことにはならないということです。幸いなことに、私たちはおそらくそれなりに安全です。

少なくとも今のところは。


翻訳：Claude３ Opus

「すべてのブラックホールには別の宇宙が存在する」という研究結果

2015年9月3日

「すべてのブラックホールには別の宇宙が存在する」という研究結果

https://in5d.com/study-every-black-hole-contains-another-universe/

私たちの宇宙は、ブラックホールの中に存在しているのかもしれません。これは奇妙に聞こえるかもしれませんが、実は、宇宙がどのように始まり、私たちが今日観察しているものを説明する最良の方法かもしれません。この理論は、私を含む少数の物理学者たちによって、過去数十年にわたって研究されてきたものです。

ビッグバン理論では、宇宙は「特異点」と呼ばれる無限に小さい点から始まり、無限に高い濃度で物質が存在し、現在のような大きさにまで膨張したと考えられているが、この理論は成功したものの、未解決の問題が多い。しかし、ここ数十年の間に提唱されたインフレーション理論により、宇宙初期のわずかな物質の塊が、なぜ銀河や銀河団といった大きな天体にまで成長したのか、といった重要な点が明らかにされつつある。

しかし、これらの理論には大きな疑問が残されている。例えば何がビッグバンを起こしたのか？何がインフレーションを起こしたのか？宇宙の膨張を加速させている謎のエネルギー「ダークエネルギー」の源は何なのか？

私たちの宇宙はすべてブラックホールの中にあるという考え方は、これらの問題やその他の多くの問題に対する答えを与えてくれます。物理的に不可能な宇宙の特異点という概念も排除される。そして、物理学の中心的な2つの理論に基づいたものである。

ニコデム・ポプラフスキーは、"チューブの中の竜巻 "を展示しています。上のボトルはブラックホールを、つながった首はワームホールを、下のボトルはワームホールのできたばかりの反対側にある成長する宇宙を象徴している。Credit: Indiana University1つ目は、現代の重力理論である一般相対性理論です。これは宇宙を最も大きなスケールで記述する理論です。宇宙のあらゆる事象は、空間と時間の中の一点、すなわち時空として発生する。太陽のような巨大な天体は、キャンバスに置かれたボーリングの玉のように時空を歪ませ、「カーブ」させる。太陽の重力のへこみは、地球やその周りを回る他の惑星の動きを変える。太陽が惑星を引っ張る力は、私たちには重力の力として見える。

もうひとつは量子力学で、これは宇宙を原子のレベルなど最小のスケールで記述するものである。しかし、量子力学と一般相対性理論は現在別々の理論であり、物理学者はこの2つをうまく組み合わせて「量子重力」という1つの理論にまとめ、ブラックホールの中の素粒子の振る舞いなど重要な現象を適切に表現しようと努力している。

1960年代に発表された「アインシュタイン＝カルタン＝サイマ＝キッブル重力理論」は、量子力学の効果を考慮した一般相対性理論である。この理論は、量子重力理論への一歩を踏み出しただけでなく、別の宇宙像の提示にもつながっている。この一般相対性理論には、スピンと呼ばれる量子力学の重要な性質が取り入れられている。原子や電子などの粒子は、氷の上でスケーターが回転しているような内部角運動量、すなわちスピンを持っている。

この時、粒子のスピンは時空と相互作用し、時空に "ねじれ "という性質を与える。時空を2次元のキャンバスではなく、柔軟な1次元の棒として想像してみると、ねじれが理解できる。棒を曲げることは時空の湾曲に、棒を捻ることは時空の捻転に対応する。棒が細いと、曲げることはできても、ねじれたかどうかがわかりにくい。

時空のねじれは、初期宇宙やブラックホールにおいてのみ、顕著に現れると考えられる。このような極限環境では、時空のねじれは、時空の曲率から生じる重力に対抗する反発力として現れるだろう。一般相対性理論の標準版では、非常に重い星はブラックホールに崩壊してしまうが、このブラックホールからは、光さえも逃げることができない。

ここで、宇宙の始まりの瞬間にねじれがどのように起こるかを考えてみよう。最初は、曲がった空間がもたらす重力がねじりの反発力に打ち勝ち、物質を小さな空間に押し込んでいく。しかし、やがてねじれが非常に強くなり、物質が無限大の密度に圧縮されなくなり、密度は非常に大きいが有限である状態になる。エネルギーは質量に変換されるため、この超高密度状態での非常に大きな重力エネルギーは、粒子の激しい生成を引き起こし、ブラックホール内部の質量を大きく増加させることになる。

スピンを持つ粒子の数が増えれば増えるほど、時空のねじれが大きくなる。このねじれによって崩壊が止まり、圧縮されたビーチボールが外側に弾けるような「ビッグバウンス」が起こるのです。このようなビッグバウンドの後の急激な反動が、私たちの宇宙膨張につながっているのかもしれません。この反動の結果は、宇宙の形、形状、質量分布の観測結果と一致します。

さらに、このねじれのメカニズムは、すべてのブラックホールが内部に新しい赤ん坊の宇宙を生み出すという、驚くべきシナリオを示唆している。もしそれが本当なら、私たちの宇宙の最初の物質は、どこか他の場所から来たことになります。つまり、私たちの宇宙は、別の宇宙に存在するブラックホールの内部である可能性があるのです。私たちが宇宙のブラックホール内部を見ることができないように、親宇宙にいる観測者は、私たちの宇宙で起こっていることを見ることができないかもしれません。

「事象の地平線」と呼ばれるブラックホールの境界を通過する物質の運動は、一方向にしか起こらないため、私たちが前進していると認識する時間の方向が与えられます。そのため、私たちの宇宙の時間の矢印は、親宇宙からねじれによって受け継がれているのです。

また、宇宙の物質と反物質のバランスが悪いことも、ねじれによって説明できるかもしれない。ねじれによって、物質は身近な電子やクォークに分解され、反物質は宇宙の物質の大部分を占めるとされる「暗黒物質」という不可視の物質に分解されるのだ。

最後に、ねじれは「ダークエネルギー」の源である可能性があります。ダークエネルギーとは、宇宙の膨張速度を増加させ、空間に浸透している謎のエネルギーのことです。ねじれのある幾何学は、自然に「宇宙定数」を生み出しますが、これは一種の付加的な外向きの力で、ダークエネルギーを説明する最も簡単な方法です。このように、宇宙の加速度的な膨張は、ねじれを証明する最も強力な証拠となるかもしれません。

したがって、「ねじれ」は、すべてのブラックホールの内部が新しい宇宙となるシナリオの理論的な基礎を提供する。また、現在の重力理論や宇宙論が抱えるいくつかの大きな問題の解決策にもなりそうだ。物理学者は、アインシュタイン-カルタン-サイマ-キッブル理論を量子力学と完全に結びつけて、量子重力理論を構築する必要がまだある。いくつかの大きな疑問が解決される一方で、それ自体新たな疑問も生じている。例えば、私たちの宇宙が存在する親宇宙やブラックホールについて、私たちは何を知っているのでしょうか？親宇宙は何層あるのだろう？私たちの宇宙がブラックホールに住んでいることをどうやって証明できるのか？

すべての星、ひいてはブラックホールは回転しているので、私たちの宇宙は親ブラックホールの回転軸を「好ましい方向」として受け継いでいるはずです。最近、15,000個以上の銀河の調査から、宇宙の片側では渦巻銀河が時計回りに回転する「左巻き」が多く、反対側では反時計回りに回転する「右巻き」が多いという証拠がいくつか報告されています。いずれにせよ、時空の幾何学にねじれを含めることは、宇宙論の成功に向けた正しいステップであると私は考えています。

著者についてニコデム・ポプラウスキーは、コネチカット州のニューヘブン大学の理論物理学者である。

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