すべてはどのように始まったのか? これは人類が何千年もの間考えてきた疑問である。この約1世紀の間に、科学はその答えに近づいてきた：ビッグバンである。
これは、宇宙が約140億年前に壮大な爆発によって誕生したことを説明している。ほんの一瞬の間に、観測可能な宇宙は、バクテリアが銀河系サイズまで膨張するほどの規模で成長した。初期の宇宙は極めて高温で非常に高密度だった。しかし、これが起こったことをどのように知ることができるのだろうか?
まず証拠を見てみよう。1929年、アメリカの天文学者Edwin Hubbleは、遠方の銀河が互いに離れていく動きをしていることを発見し、宇宙が膨張していることが明らかになった。宇宙誕生時まで時計を巻き戻すと、この膨張は逆転し、140億年前に銀河は互いに重なり合うことになる。この年齢は、我々が観測する最古の天体の年齢とよく一致している。
この考えは当初、懐疑的に受け止められた – 実際、この名称を付けたのは懐疑論者のイギリスの天文学者Fred Hoyleだった。Hoyleは1949年3月28日のBBCラジオのインタビューで、この仮説を皮肉を込めて「ビッグバン」と一蹴した。
その後、1964年にArno PenziasとRobert Wilsonは、宇宙空間全体に満ちている特殊な放射を検出した。これは宇宙マイクロ波背景放射（CMB）として知られるようになった。これは宇宙がわずか38万年の時に放出された、ビッグバン爆発の残光のような存在である。
CMBは、宇宙の始まりの高温で高密度な状態を知る手がかりを提供している。PenziasとWilsonはこの発見により1978年のノーベル物理学賞を受賞した。
最近では、Large Hadron Collider（LHC）のような粒子加速器での実験が、ビッグバン直後の状態についてさらなる洞察を提供している。これらの高エネルギー状態における物理学の理解から、ビッグバン直後の瞬間には、現在存在する4つの基本的な力が単一の力として結合していたことが示唆されている。
現在の4つの力とは、重力、電磁力、強い核力、弱い核力である。宇宙が膨張し冷却するにつれて、一連の劇的な変化（水の沸騰や凍結のような相転移）によってこれらの力は分離した。
粒子加速器での実験によると、ビッグバンの数十億分の1秒後に、これらの相転移の最後のものが起こった。これは電弱統一の崩壊で、電磁力と弱い核力が結合を解かれた時である。この時に宇宙のすべての物質が質量を獲得した。
さらに時間が進むと、宇宙は「クォーク・グルーオンプラズマ」と呼ばれる奇妙な物質で満たされた。名前が示すように、この「原始スープ」はクォークとグルーオンで構成されていた。これらは強い核力を担う素粒子である。クォーク・グルーオンプラズマは2010年にBrookhaven National Laboratoryで、2015年にLHCで人工的に生成された。
クォークとグルーオンは強い引力で結びついており、現在では陽子と中性子として結合している。これらが今度は原子の構成要素となっている。しかし、初期宇宙の高温・高密度の状態では、これらは独立して存在していた。
クォーク・グルーオンプラズマは長くは続かなかった。ビッグバンのわずか数百万分の1秒後、宇宙の膨張と冷却に伴い、クォークとグルーオンは陽子と中性子として凝集し、現在まで続くこの状態となった。この出来事はクォーク閉じ込めと呼ばれる。
宇宙がさらに膨張し冷却するにつれて、宇宙における高エネルギー光子（光の粒子）の数は以前より減少した。これがビッグバン核合成（BBN）と呼ばれるプロセスのきっかけとなった。これは最初の原子核 – 陽子と中性子で構成され、原子の中心にある密度の高い物質の塊 – が太陽のようなエネルギーを生み出す核融合反応によって形成された時である。
以前は宇宙にはより多くの高エネルギー光子が存在していたため、形成された原子核は光分解と呼ばれるプロセスですぐに破壊されていた。BBNはビッグバンのわずか数分後に終了したが、その結果は今日でも観測可能である。
天文学者による観測は、これらの核融合反応で生成された元素の原始存在量の証拠を提供している。その結果はBBNの理論とよく一致している。もし時間を140億年近く進めれば、今日の状況に到達する。しかし、ビッグバン直後に何が起きていたのかについて、どこまで理解できるのだろうか?
科学者たちは、電弱統一の崩壊（電磁力と弱い核力が結合を解かれた時）以前に何が起こったかについての直接的な証拠を持っていない。そのような高エネルギーと初期の時代については、ビッグバンの謎を見つめることしかできない。では理論は何を示唆しているのだろうか?
宇宙の歴史を時間を遡ると、距離と体積は縮小し、平均エネルギー密度は増加する。ビッグバンでは、距離と体積はゼロになり、宇宙のすべての部分が重なり合い、宇宙のエネルギー密度は無限大となる。宇宙空間の進化と宇宙の膨張を記述する数学的方程式は、ゼロと無限大に侵され、意味をなさなくなる。
これを特異点と呼ぶ。Albert Einsteinの一般相対性理論は時空がどのように形作られるかを説明している。時空とは、宇宙の三次元の幾何学に時間を組み合わせた概念である。時空の曲率が重力を生み出す。
しかし、数学は宇宙には時空の曲率が無限大になる場所があることを示唆している。これらの場所は特異点として知られている。そのような例の一つがブラックホールの中心に見られる。これらの場所では、一般相対性理論は破綻する。
1965年から1966年にかけて、イギリスの理論物理学者Stephen HawkingとRoger Penroseは、膨張する宇宙の時空は過去の特異点で終わらなければならないことを示す数々の数学的定理を発表した：ビッグバン特異点である。
Penroseは2020年にノーベル賞を受賞した。Hawkingは2018年に他界し、ノーベル賞は死後には授与されない。時間と空間はビッグバン特異点で出現するため、ビッグバン「以前」に何が起こったかという質問は適切に定義されない。科学が教えてくれる限り、「以前」は存在しない。ビッグバンが時間の始まりである。
しかし、一般相対性理論は100年以上存在し反証されていないにもかかわらず、自然を正確に記述するものではない。一般相対性理論は原子、核融合、放射能を説明することができない。これらの現象は代わりに量子論によって説明される。
相対性理論のような「古典」物理学の理論は決定論的である。これは、特定の初期条件が確定的な結果を持ち、したがって絶対的に予測可能であることを意味する。一方、量子論は確率論的である。これは、宇宙の特定の初期条件が複数の結果を持つ可能性があることを意味する。
量子論はある程度予測可能だが、確率論的な方法で予測する。結果には存在確率が割り当てられる。確率の数学的分布が特定の結果で鋭くピークを持つ場合、その状況は一般相対性理論のような「古典」理論でよく記述される。しかし、すべてのシステムがそうではない。原子のような一部のシステムでは、確率分布は広がっており、古典的な記述は適用できない。
重力についてはどうだろうか? 大多数の場合、重力は古典物理学でよく記述される。古典的な時空は滑らかである。しかし、特異点の近くで曲率が極端になると、重力の量子的性質は無視できなくなる。ここでは、時空はもはや滑らかではなく、遠くから見ると滑らかに見えるが近くで見ると繊維と糸で満ちているカーペットのように、ごつごつしている。
したがって、ビッグバン特異点の近くでは、時空の構造は滑らかでなくなる。数学的定理は、時空が「ごつごつした」特徴：フック、ループ、バブルで圧倒されることを示唆している。この急速に変動する状況は時空泡と呼ばれる。
時空泡では、時空に閉じたループがあり、出来事の未来がその過去でもある（したがってその結果がその原因にもなりうる）ため、因果関係は適用されない。量子論の確率論的性質は、確率分布が均一に広がっているとき、すべての結果が等しく可能であり、物理学の古典的な理解に関連する快適な因果関係の概念は失われることを示唆している。
したがって、時間を遡ると、ビッグバン特異点に遭遇する直前に、重力の量子効果が支配的で因果関係が適用されない時代に入ることになる。これはプランク時代と呼ばれる。
時間は過去から未来へと直線的に進むのではなく、代わりに包まれ、混沌とし、ランダムになる。これは「なぜビッグバンが起こったのか」という質問には意味がないことを意味する。なぜなら因果関係の外では、出来事は起こるために原因を必要としないからである。
ビッグバンのような特異点で物理学がどのように機能するかを理解するために、量子論に従って重力がどのように振る舞うかについての理論が必要である。残念ながら、そのような理論は持ち合わせていない。ループ量子重力や、様々な形態を持つ弦理論など、この分野での取り組みはいくつかある。
しかし、問題は非常に困難であるため、これらの努力は良くても不完全である。これは、時空泡が、ギリシャ人が始まりに存在していたと信じていた古代のHesiodのカオスのように、象徴的で強力な神秘性を持っていることを意味する。
では、我々の膨張し、主に古典的な宇宙は、どのようにして時空泡から脱出したのだろうか? これは宇宙インフレーションに関係している。後者は初期宇宙における加速膨張の期間として定義される。これは1980年にロシアの理論物理学者Alexei Starobinskyによって最初に導入され、同年、並行してアメリカの物理学者Alan Guthによって名付けられた。
インフレーションは、観測によると、宇宙を大きく均一にする。また、それは宇宙を空間的に平坦にする。これは本来不安定な状況だが、観測によって確認されている。さらに、インフレーションは、銀河や銀河団などの構造の形成に不可欠な宇宙の密度の原始的な不規則性を生成する自然なメカニズムを提供する。
理論の立証
近年の宇宙マイクロ波背景放射の精密観測は、インフレーションの予測を劇的に確認している。また、宇宙が実際に加速膨張を経験できることも知っている。なぜなら、過去数十億年の間に再びそれを始めたからである。
これは時空泡とどのような関係があるのだろうか? 時空泡で起こりうるように、変動する時空のある領域でインフレーションの条件が（偶然に）生じると、その領域は膨張し、古典物理学に従い始めることがわかっている。
ロシア系アメリカ人の物理学者Andrei Lindeが最初に提案したアイデアによれば、インフレーションは初期宇宙の混沌とした初期条件の自然な – そしておそらく避けられない – 結果である。
重要なのは、我々の古典的な宇宙は、初期のインフレーションの増幅を経験することで、時空泡のような混沌とした状態から出現できたということである。これが宇宙の膨張の引き金となったのだ。実際、天文学者によるCMBの観測は、インフレーション期間中の膨張が指数関数的であることから、この初期の増幅が爆発的であったことを示唆している。
2014年3月20日、Alan Guthは簡潔に説明している：「私は通常、インフレーションをビッグバンの『バン（爆発）』の理論として説明しています：それは、私たちがビッグバンと呼ぶ推進メカニズムを説明するものです。」
つまり、こういうことである。我々の宇宙の140億年の物語は、ビッグバンと呼ばれる、宇宙空間のあらゆる場所での壮大な爆発から始まる。これは合理的な疑いを超えて確実である。この爆発は実際には爆発的な膨張の期間であり、これを宇宙インフレーションと呼ぶ。しかし、インフレーション以前には何があったのか? それは時空の特異点なのか、時空泡なのか? その答えは大部分が未知である。
実際、それは知り得ないかもしれない。なぜなら、ブラックホールの内部について知ることを妨げる定理と同様に、インフレーションの開始について情報を得ることを禁じる数学的定理が存在するからである。したがって、我々の視点からすれば、宇宙インフレーションがビッグバン、すなわちすべての始まりとなった爆発なのである。
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