物理学者たちは長年、宇宙がなぜ知的生命の進化を支えることができたのかという疑問と格闘してきた。約30の基本定数で表される多くの力と粒子の値は、すべてそれを可能にするように完璧に整列しているように見える。
重力を例に取ってみよう。もし重力が著しく弱ければ、物質は星や惑星、生命体を形成するために集まることが困難になる。そして、もし強すぎれば、それもまた問題を引き起こすことになる。なぜ我々はこれほど幸運なのだろうか？
私が最近、同僚のJohn PeacockとLucas Lombriserとともに発表した研究によれば、我々の宇宙は必ずしも生命に最適に調整されているわけではないことが示唆された。実際、我々は可能な宇宙の中で最も可能性の高い宇宙に住んでいるわけではないかもしれない。
我々は特に、宇宙における「ダークエネルギー」の密度が知的生命の出現にどのように影響するかを研究した。これは宇宙の膨張を加速させる謎の力として現れるが、その正体は分かっていない。
良いニュースは、我々がそれを測定できることである。悪いニュースは、観測された値が理論から予測される値よりもはるかに小さいことである。このパズルは宇宙論における最大の未解決問題の一つであり、我々の研究の主要な動機となった。
人類原理的推論
我々は「人類原理的推論」が適切な答えを提供するかどうかを検証した。人類原理的推論とは、我々人類が存在するという事実から、我々の宇宙の性質を推論できるという考えである。1980年代後半、物理学のノーベル賞受賞者であるSteven Weinbergは、観測されたダークエネルギー密度の値に対する可能な人類原理的解決策を議論した。
Weinbergは、より大きなダークエネルギー密度は宇宙の膨張を加速させると推論した。これは物質を集めて銀河を形成しようとする重力の努力に反することになる。銀河が少なければ、宇宙の星も少なくなる。星は我々が知っているような生命の出現に不可欠であるため、ダークエネルギーが多すぎると、人間のような知的生命が現れる可能性は抑制される。
その後Weinbergは、それぞれ異なるダークエネルギー含有量を持つ異なる可能な宇宙からなる「マルチバース」を考察した。このようなシナリオは、宇宙の歴史の初期に起こった加速膨張期である宇宙のインフレーション理論から導かれる。
Weinbergは、マルチバース内の宇宙のごく一部のみが、銀河、星、そして最終的に知的生命が出現するのに十分な小さなダークエネルギー密度を持っているだろうと提案した。これは、我々の理論が示唆するよりもはるかに大きな値であるにもかかわらず、なぜ我々が小さなダークエネルギー密度を観測するのかを説明することになる – 単純に、そうでなければ我々は存在できなかったのである。
Weinbergの推論における潜在的な落とし穴は、宇宙で銀河に終わる物質の割合が、形成される星の数に比例するという仮定である。35年後の現在、それはそれほど単純ではないことが分かっている。我々の研究は、より現実的な星形成モデルを用いてWeinbergの人類原理的議論を検証することを目的とした。
星を数える
我々の目標は、与えられたダークエネルギー密度を持つ宇宙の全歴史を通じて形成された星の数を決定することだった。これは数え上げの作業に帰着する。
まず、我々は観測値の0から100,000倍の間でダークエネルギー密度を選んだ。その量に応じて、重力はより容易にあるいはより困難に物質を一緒に保持することができ、これが銀河がどのように形成されるかを決定する。
次に、時間とともに銀河内で毎年形成される星の量を推定した。これは、星形成の燃料となる冷たいガスの量と、ガスを加熱して銀河の外に押し出す銀河流出の相反する作用とのバランスから導かれた。
その後、特定の宇宙モデルの全寿命（過去と未来）にわたって通常の物質が星に変換された割合を決定した。この数値は、その宇宙の星を生産する効率を表している。
そして、ある宇宙で知的生命を生成する可能性は、その星形成効率に比例すると仮定した。上の図が示すように、これは最も生命に適した宇宙は、我々の宇宙で観測されるダークエネルギー密度の約10分の1を含むことを示唆している。
したがって、我々の宇宙は生命に最も好ましい可能な宇宙からそれほど遠くはない。しかし、最も理想的なわけでもない。
しかし、Weinbergの人類原理的推論を検証するためには、マルチバース内からランダムに知的生命体を選び、彼らが観測するダークエネルギー密度を尋ねることを想像すべきである。
我々は、そのうちの99.5%が我々の宇宙で観測されるよりも大きなダークエネルギー密度を経験することを発見した。言い換えれば、我々はマルチバース内の珍しく、異常な宇宙に住んでいるように見える。
これは、より多くのダークエネルギーを持つ宇宙が星形成を抑制し、したがって知的生命を形成する可能性を減少させるという事実と矛盾しない。
類推として、300個のビー玉を100個の箱に分類することを考えてみよう。各箱は宇宙を、各ビー玉は知的観測者を表している。1番目の箱に100個のビー玉を、2番目の箱に4個を入れ、その他のすべての箱に2個ずつ入れるとする。明らかに、最初の箱は単独で最大数のビー玉を含んでいる。しかし、すべての箱からランダムに1個のビー玉を選ぶと、1番目の箱以外から選ばれる可能性の方が高い。
同様に、ダークエネルギーの少ない宇宙は個々には生命により適している。しかし、生命は、より可能性は低いものの、豊富なダークエネルギーを持つ多くの可能な宇宙でも依然として生まれることができる – そこにもまだいくつかの星は存在するだろう。我々の計算によれば、すべての宇宙の中の大多数の観測者は、我々の宇宙で測定されるよりも高いダークエネルギー密度を経験することになる。
また、我々は最も典型的な観測者が我々の宇宙の約500倍大きな値を測定することを発見した。
これは我々をどこに導くのか？
結論として、我々の結果は、我々の存在がなぜそれほど低いダークエネルギーの値を持っているのかを説明するという人類原理的議論に疑問を投げかける。我々は、より大きなダークエネルギー密度を持つ宇宙にもっと容易に存在することができたはずである。
人類原理的推論は、より複雑なマルチバースモデルを採用すれば、まだ救済される可能性がある。例えば、ダークエネルギーと通常の物質の両方の量が異なる宇宙間で変化することを許容することができる。おそらく、より高いダークエネルギー密度による知的生命の発生の減少は、より高い通常物質の密度によって補償される可能性がある。
いずれにせよ、我々の発見は人類原理的議論の単純な適用に対して警告を発している。これにより、ダークエネルギーの問題はさらに取り組みが困難になる。
我々宇宙論学者は今何をすべきか？袖をまくり上げて、より深く考えることである。このパズルをどのように解くかは、時間が教えてくれるだろう。しかし、それがどのように解決されるにせよ、それは信じられないほど興奮する展開になることは確かである。
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