「偽真空崩壊」によって宇宙が終わる可能性があるということを説明します

2021年12月08日

「偽の真空崩壊」によって宇宙が終わる可能性があるということを説明します

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宇宙は思っているほど安定していないかもしれません。

ハッブル宇宙望遠鏡によるウルトラ・ディープ・フィールドの観測画像。(画像出典: NASA/ESA & Hubble)

世界が終わる方法：大爆発ではなく、宇宙の真の最低エネルギー状態への量子真空崩壊によって。

宇宙は過去に激しい相転移を経験しました。これらの相転移は、最終的には自然界の４つの基本力の分割と、私たちが知ることができる粒子の多様性を導きました。全てが始まったのは宇宙が生まれてから1秒未満の時期であり、それ以来、安定しています。

しかし、これが永遠に続くわけではないかもしれません。

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分裂した宇宙

宇宙の安定性を理解するためには、まず相転移について話す必要があります。相転移とは、物質が急速かつ根本的に変形する現象です。それは常に起こっています。水を沸騰させると、液体から気体に変わります。同じ水を冷やすと、氷のブロックに変わります。

おそらく最もエキゾチックな相転移は、量子場に起こるものです。量子場は宇宙の基本的な構成要素です。すべての種類の粒子、例えば光子や電子などは、根本的な場のローカルな現れにすぎません。その場はオリーブオイルに浸したパンのように、空間と時間全体に染み込んでいます。これらの場が相互作用し、コミュニケーションする方法が、私たちの存在の力や物理法則を構成しています。

この存在は、重力、弱い力、電磁気力、そして強い力という4つの基本力に基づいています。しかし、常にそうだったわけではありません。宇宙の初期の瞬間には、これらの力は統合されていました。宇宙が膨張し、冷却されるにつれて、量子場は相次いで分裂する相転移を経験しました。

最後の相転移は、電磁気力が弱い力から分裂したときに起こりました。この分裂によって、2つの力の担体である光子とW ボソンと Z ボソンが誕生しました。

この宇宙が安定しているように見えるのは、このイベントが宇宙が生まれてすら1秒も経たない時期に起こったからです。それ以来、分裂や相転移は起こっておらず、4つの力は何十億年もの間、宇宙の進化を形作ってきました。

あらゆるものが安定しているように見えますが、今のところはです。

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思った以上に安定していない

宇宙の安定性を測定するのは難しい。確かに、相転移のような興味深い出来事が起こってから130億年以上が経過しています。はい、130億年は非常に長い時間ですが、量子場の世界では何が起こるかわかりません。

私たちが宇宙の安定性を探るための最善策は、ヒッグス粒子の質量を測定することです。ヒッグス粒子は非常に興味深い場で、宇宙に存在することで、電磁気力と弱い力を分離し、現在もその分離を維持しています。もし、ヒッグス粒子が存在しなければ、これらの力は再び統合されてしまいます。

量子物理学では、物体が重いほど不安定になります。たとえば、重い粒子はすぐに軽い粒子に崩壊します。したがって、ヒッグス粒子が非常に重い場合、現在の安定性は見かけ倒しであり、いつか何かに崩壊する可能性があります。しかし、ヒッグス粒子が十分に軽い場合、永遠に存在する可能性が高く、宇宙の量子場の未来については何も言えません。

ヒッグス粒子の測定結果から、その質量によって、宇宙は「本当に、正直に安定している」領域と「ああ、少し不安定に見える」領域の間に位置することがわかりました。物理学者はこの状態を「準安定」と呼びます。つまり、今は安定しているが、何かがうまくいかなければすぐに悪化する可能性がある状態です。

安定性を求めて

宇宙の量子場の表面的な準安定は、少し不安定です。何十億年、何兆年も何も問題が起きないまま宇宙が継続する可能性がある一方、宇宙が既に変換し始めている可能性もあります。ヒッグスが崩壊し、基礎となる量子場が新しいより安定な構成を見つける、宇宙のどこかのランダムな場所で誤った方向に揺れる小さなことだけで、新しい宇宙の領域が「古い」宇宙を光速に近い速度で伝播します。

この種の位相転移を「偽の真空崩壊」と呼びます。これは、私たちの宇宙の真空が「偽」であるというアイデアを参照しています。それは見かけほど安定しておらず、いつか何か新しいものに崩壊するでしょう。

位相転移が私たちに情報が届く頃には、すでに進行中でしょう。

その新しい宇宙の向こう側には何があるのでしょうか？それは言い切れません。新しい量子場が古い量子場とまったく同じように見えて何も問題がないかもしれません。それは、ダークエネルギーの性質の微調整や、ニュートリノの質量の微調整のような、わずかな修正かもしれません。または、全く新しい力、場、粒子で満たされた宇宙である可能性があり、それは私たちが知る生命（そして化学や原子など）を不可能にします。

もちろん、私たちは準安定の基準についてさえ100％確信していません。素粒子物理学の標準モデルが不完全であることを知っています。完全なバージョンは、量子場の理解や「安定-不安定」のラインが引かれる場所を書き換える可能性があります。

「Ask A Spaceman」というポッドキャストを聴くことでもっと知識を得ることができます。iTunesやaskaspaceman.comで聴くことができます。自分自身の質問をTwitterで#AskASpacemanを使って聞いたり、Paul @PaulMattSutterをフォローしたり、facebook.com/PaulMattSutterをチェックしたりすることもできます。

翻訳：GPT4