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