「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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