私たちは宇宙について学ぶ黄金時代に生きている。最も強力な望遠鏡により、宇宙は目に見える最大規模において驚くほど単純であることが明らかになっている。同様に、最も強力な「顕微鏡」であるLarge Hadron Colliderは、最小規模において既知の物理学からの逸脱を見出していない。
これらの発見は、ほとんどの理論家が予想していたものとは異なっていた。今日の主流の理論的アプローチは、まだ成功した物理的予測のない強力な数学的フレームワークである「弦理論」と、非常に初期の段階で宇宙が急激に膨張したとする「宇宙インフレーション」という考えを組み合わせている。弦理論とインフレーションを組み合わせると、宇宙は極小スケールで信じられないほど複雑で、非常に大規模では完全にカオス的であると予測される。
予想される複雑さは、途方もなく多様な形態をとりうる。この基礎に基づき、観測的証拠がないにもかかわらず、多くの理論家は「マルチバース」という考えを提唱している。これは、それぞれが全く異なる物理的性質と法則を持つ多くの宇宙から成る、制御不能で予測不可能な宇宙である。
これまでのところ、観測結果はまさにその反対を示している。この不一致をどう解釈すべきだろうか? 一つの可能性は、宇宙の見かけの単純さは、私たちが今日調査できる範囲が限られているという偶然に過ぎず、観測と実験が十分に小さいか大きい規模に達したとき、主張されている複雑さが明らかになるというものである。
もう一つの可能性は、宇宙が最大規模と最小規模の両方において、実際に非常に単純で予測可能だということである。私はこの可能性をもっと真剣に考えるべきだと考えている。なぜなら、もしそれが真実なら、私たちは宇宙の最も基本的な謎を理解することに、想像以上に近づいているかもしれないからだ。そして、いくつかの答えはすでに私たちの目の前にあるのかもしれない。
ストリング理論とインフレーションの問題点
現在の正統派理論は、何千人もの真摯な理論家たちによる数十年の努力の集大成である。ストリング理論によると、宇宙の基本的な構成要素は、振動する極小のループと原子以下のサイズの紐である。現在理解されているように、この理論は私たちが経験する3次元以上の空間次元が存在する場合にのみ機能する。そのため、ストリング理論家たちは、私たちがそれらを検出できない理由は、それらが極小で丸まっているからだと仮定している。
残念ながら、これによりストリング理論の検証は難しくなっている。なぜなら、小さな次元が丸まることができる方法は想像を絶するほど多く、それぞれが残りの大きな次元における異なる物理法則をもたらすからである。
一方、宇宙インフレーションは、私たちが見ることのできる最大規模で宇宙がなぜそれほど滑らかで平坦なのかを説明するために1980年代に提案されたシナリオである。その考えは、初期宇宙は小さくでこぼこしていたが、極度に急速な膨張の爆発的な増大によって、今日私たちが見ているような一致した滑らかで平坦なものになったというものである。
インフレーションは、初期宇宙におけるエネルギー密度が場所によってわずかに異なっていた理由を潜在的に説明できるため、人気がある。これは重要である。なぜなら、より密度の高い領域が後に自身の重力で収縮し、銀河の形成の種となったからである。
過去30年間、密度の変動は、ビッグバンからの放射である宇宙マイクロ波背景放射の地図作成と、銀河の3次元分布の地図作成の両方によって、ますます正確に測定されてきた。
ほとんどのインフレーションモデルでは、宇宙を滑らかにし平坦にした初期の極端な膨張の爆発は、時空の織物における波紋である長波長の重力波も生成したとされる。そのような波が観測されれば、インフレーションが実際に起こったことを示す「決定的な証拠」となるだろう。しかし、これまでのところ観測ではそのような信号は検出されていない。代わりに、実験が着実に改善されるにつれて、ますます多くのインフレーションモデルが除外されてきている。
さらに、インフレーション中、空間の異なる領域は非常に異なる量の膨張を経験する可能性がある。非常に大きな規模では、これはインフレーション後の宇宙のマルチバースを生み出し、それぞれが異なる物理的性質を持つことになる。
インフレーションシナリオは、存在するエネルギーの形態と初期条件についての仮定に基づいている。これらの仮定はいくつかの謎を解決するが、他の謎を生み出す。ストリング理論家とインフレーション理論家は、広大なインフレーション的マルチバースのどこかに、私たちが見ている宇宙と正確に一致する性質を持つ時空の領域が存在することを期待している。
しかし、たとえそれが真実だとしても（そしてそのようなモデルは一つも見つかっていない）、理論の公平な比較には、オッカムの剃刀を定量化する「オッカム係数」を含めるべきである。これは、多くのパラメータと可能性を持つ理論よりも、より単純で予測力のある理論を優先する。オッカム係数を無視することは、複雑で予測力のない仮説に代替案がないと仮定することに等しい – これは私が根拠に乏しいと考える主張である。
過去数十年間、ストリング理論やインフレーションの特定の信号を明らかにする実験や観測の機会は多くあった。しかし、それらは一つも見つかっていない。観測結果は予想よりも単純で最小限のものであることが、何度も何度も明らかになった。
私は、これらの失敗を認識し、そこから学び、より良い代替案を真剣に探し始める時が来たと考えている。
より単純な代替案
最近、私の同僚のLatham Boyleと私は、インフレーションと弦理論を排除したより単純で検証可能な理論を構築しようと試みてきた。観測結果からヒントを得て、私たちは理論的仮定を最小限に抑えながら、最も深遠な宇宙の謎のいくつかに取り組もうとした。
私たちの最初の試みは、最も楽観的な期待を超えて成功した。これらが更なる精査に耐えられるかどうかは時が教えてくれるだろう。しかし、私たちがすでに成し遂げた進歩により、標準的な正統派理論 – それは私たちが抜け出す必要のある束縛衣となっている – に代わる選択肢が存在する可能性が高いと確信している。
私は、私たちの経験が、特に若い研究者たちに、観測の単純さに強く導かれた新しいアプローチを探求し、年長者たちの先入観をより懐疑的に見ることを奨励することを願っている。最終的に、私たちは宇宙から学び、私たちの理論を宇宙に適応させなければならず、その逆であってはならない。
Boyleと私は、宇宙論の最大のパラドックスの一つに取り組むことから始めた。Einsteinの重力理論と既知の物理法則を使用して膨張する宇宙を時間的に遡ると、空間は一点、「初期特異点」に収縮する。
この無限に密度が高く高温な始まりを理解しようとする中で、ノーベル賞受賞者のRoger Penroseを含む理論家たちは、光と質量のない粒子を支配する基本法則における深い対称性を指摘した。この「共形」対称性と呼ばれる対称性は、光も質量のない粒子も実際にはビッグバンでの空間の収縮を経験しないことを意味している。
この対称性を利用することで、光と粒子を始まりまで完全に追跡することができる。そうすることで、Boyleと私は初期特異点を「鏡」として描写できることを発見した：時間における反射境界（片側では時間が前方に進み、もう片側では後方に進む）である。
ビッグバンを鏡として描くことは、物理学の最も基本的な法則と矛盾するように見える宇宙の多くの特徴を適切に説明する。例えば、あらゆる物理的過程に対して、量子論は空間が反転し、時間が逆転し、すべての粒子がその反粒子（ほとんどすべての点で類似しているが、電荷が反対の粒子）に置き換えられる「鏡像」過程を許容する。
CPT対称性と呼ばれるこの強力な対称性によると、「鏡像」過程は元の過程とまさに同じ速度で発生するはずである。宇宙に関する最も基本的な謎の一つは、時間が常に前方に進み、反粒子よりも粒子が多いため、[CPT対称性に違反している]ように見えることである。
私たちの鏡仮説は宇宙の対称性を回復する。鏡を見るとき、あなたは鏡の後ろにあなたの鏡像を見る：もしあなたが左利きなら、像は右利きであり、その逆も同様である。あなたと鏡像の組み合わせは、あなた単独よりも対称的である。
同様に、Boyleと私が宇宙をビッグバンを通して遡ったとき、私たちはその鏡像、つまり（私たちに対して）時間が後方に進み、粒子よりも反粒子が多いビッグバン以前の宇宙を見出した。この描像が正しいためには、鏡像宇宙が古典的な意味で実在する必要はない（鏡の中のあなたの像が実在しないのと同様に）。原子と粒子のミクロの世界を支配する量子論は私たちの直感に挑戦するので、この時点で私たちにできる最善のことは、宇宙の初期条件がCPT対称性に違反しないことを保証する数学的装置として鏡像宇宙を考えることである。
驚くべきことに、この新しい描像は未知の宇宙物質であるダークマターの性質に重要な手がかりを提供した。ニュートリノは非常に軽く、幽霊のような粒子で、典型的には光速に近い速度で移動し、小さなコマのように移動しながら回転する。ニュートリノが移動する方向に左手の親指を向けると、4本の指はニュートリノが回転する方向を示す。観測される軽いニュートリノは「左手系」ニュートリノと呼ばれる。
重い「右手系」ニュートリノは直接観測されたことはないが、その存在は観測された軽い左手系ニュートリノの性質から推測されている。安定な右手系ニュートリノは、重力以外の既知の力に結合しないため、ダークマターの完璧な候補となるだろう。私たちの研究以前は、それらが高温の初期宇宙でどのように生成された可能性があるのかは不明であった。
私たちの鏡仮説により、生成される量を正確に計算し、それらが宇宙のダークマターを説明できることを示すことができた。
検証可能な予測が導き出された：もしダークマターが安定な右手系ニュートリノから成るなら、私たちが知っている3つの軽いニュートリノの1つは正確に質量がゼロでなければならない。注目すべきことに、この予測は現在、大規模な銀河調査による物質の重力的集積の観測を使用して検証されている。
宇宙のエントロピー
この結果に励まされ、私たちは別の大きな謎に取り組み始めた。それは「なぜ宇宙は見える最大規模でそれほど一様で空間的に平坦で、曲がっていないのか？」ということだ。 結局のところ、宇宙インフレーションシナリオは、理論家たちがこの問題を解決するために発明したものであった。
エントロピーは、物理系がどのように配置されうるかの方法の数を定量化する概念である。例えば、箱の中に空気分子を入れると、最も可能性の高い配置はエントロピーを最大化するもの – つまり分子が空間全体にほぼ均等に広がり、全エネルギーをほぼ均等に共有している状態 – である。このような議論は統計物理学で使用され、これは熱、仕事、熱力学に関する理解の基礎となっている。
故Stephen Hawkingと共同研究者たちは、重力を含めるように統計物理学を一般化したことで有名だ。彼らは優雅な議論を用いて、ブラックホールの温度とエントロピーを計算した。私たちの「鏡」仮説を使用して、Boyleと私はそれらの議論を宇宙論に拡張し、宇宙全体のエントロピーを計算することに成功した。
驚いたことに、エントロピーが最も高い（つまり箱の中に広がった原子のように最も可能性が高い）宇宙は、実際の宇宙と同様に、平坦で加速的に膨張している。そのため、統計的な議論により、宇宙インフレーションを必要とせずに、宇宙が平坦で滑らかで、小さな正の加速膨張を持つ理由が説明できる。
私たちの対称的な鏡像宇宙では、通常インフレーションに起因する原始密度変動はどのように生成されただろうか? 最近、私たちは特定のタイプの量子場（次元ゼロの場）が、インフレーションなしに、私たちが観測するタイプの密度変動を正確に生成することを示した。重要なことに、これらの密度変動は、インフレーションが予測し、まだ観測されていない長波長重力波を伴わない。
これらの結果は非常に励みになるものである。しかし、私たちの新しい理論が数学的に健全で物理的に現実的であることを示すためには、さらなる研究が必要である。
たとえ私たちの新しい理論が失敗したとしても、それは私たちに貴重な教訓を与えてくれた。標準的な正統派理論が提供するものよりも、宇宙の基本的な性質をより単純に、より強力に、より検証可能な方法で説明できる可能性が十分にある。
観測に導かれ、まだ探索されていない方向を探りながら、宇宙論の深い謎に向き合うことで、私たちは基礎物理学と宇宙の理解の両方において、より確実な基礎を築くことができるかもしれない。
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