永遠のインフレ

宇宙論において、永遠のインフレーションとは、宇宙インフレーションモデルのいくつかの形態の予測であり、この理論は、元々のビッグバン理論における問題点を説明するために発展した。永遠のインフレーションによれば、ある領域における準安定な偽の真空の崩壊が、宇宙の膨張におけるインフレーション期をもたらした。周囲の領域では、偽の真空は膨張を続け、崩壊が起こり、結果として我々の宇宙からアクセスできないほど遠く離れた別の宇宙が形成される。このプロセスは永遠に続く。したがって、永遠のインフレーションは、ごくわずかなフラクタル体積によってのみインフレーションが終結する、仮説的に無限の多元宇宙を生み出す。

インフレーション模型の初期の研究者の一人であるポール・スタインハートは、1983年に永遠インフレーションの最初の例を紹介し[ 1 ]、アレクサンダー・ヴィレンキンはそれが一般的なものであることを示しました。[ 2 ]

アラン・グースの2007年の論文「永遠のインフレーションとその意味合い」[ 3 ]は、合理的な仮定の下では「インフレーションは一般的に未来に向かって永遠であるが、過去に向かって永遠ではない」と述べている。グースは当時この主題について知られていたことを詳述し、スタインハートによって初めて提唱されてから20年以上経った後も、永遠のインフレーションが依然としてインフレーションの起こり得る結果であると考えられていることを示した。

概要

理論の発展

インフレーション、あるいはインフレーション宇宙論は、もともとは、それまで成功した宇宙論の理論と考えられていたビッグバンモデルに残されていたいくつかの問題を克服する方法として開発されました。

1979年、アラン・グースは宇宙が平坦で均質である理由（物質と放射線が大規模に滑らかに分布していること）を説明するため、インフレーション宇宙モデルを提唱しました。[ 4 ]その基本的な考え方は、ビッグバンの直後、宇宙は急速に加速膨張したというものでした。彼はインフレーションの始まりを引き起こすメカニズムとして、偽の真空エネルギーを提唱しました。グースは「インフレーション」という用語を自ら作り出し、この理論について世界中の科学者と初めて議論しました。

ガスの当初の定式化には問題がありました。インフレーション期を終結させ、今日観測されているような高温で等方性かつ均質な宇宙に至る一貫した方法がなかったからです。偽の真空は光速で膨張する「真の真空」の空の「泡」へと崩壊する可能性はありましたが、その空の泡は残りのインフレーション宇宙に追いつくことができないため、合体して宇宙を再加熱することはできませんでした。

1982年、この「優雅な退出問題」はアンドレイ・リンデ、アンドレアス・アルブレヒト、ポール・J・スタインハートによって独立に解決されました[ 5 ]。彼らは、空のバブルを作らずにインフレーションを終わらせ、代わりに高温の膨張宇宙をもたらす方法を示しました。基本的な考え方は、バブルを作らずに、偽の真空から真の真空へと連続的に「スローロール」、つまりゆっくりと進化するというものでした。改良されたモデルは「ニューインフレーション」と呼ばれました。

1983年、ポール・スタインハートは、この「新しいインフレーション」が必ずしもどこでも終わるわけではないことを初めて示しました。[ 1 ]むしろ、それは有限の領域、あるいは物質と放射線で満たされた熱い泡で終わる可能性があり、インフレーションは宇宙の大部分で継続し、その過程で次々と熱い泡を生み出す可能性があります。アレクサンダー・ヴィレンキンは、量子効果を適切に考慮すれば、これは実際にはすべての新しいインフレーションモデルに共通することを示しました。[ 2 ]

アンドレイ・リンデは、シュタインハルトとヴィレンキンによって導入されたアイデアを利用して、1986年にインフレーションの代替モデルを発表しました。このモデルでは、カオスインフレーション理論または永久インフレーションとして知られる理論の詳細な説明が提供されました。[ 6 ]

量子ゆらぎ

新たなインフレーションは、インフレーション中の量子ゆらぎにより、完全に対称的な宇宙を生み出すわけではありません。このゆらぎにより、空間の異なる地点でエネルギーと物質の密度が異なります。

仮想的なインフレーション場における量子ゆらぎは、膨張速度の変化を引き起こし、それが永遠のインフレーションの原因となります。インフレーションは他の領域で終わるという自然な傾向にもかかわらず、インフレーション速度の速い領域はより速く膨張し、宇宙を支配します。これにより、インフレーションは永遠に継続し、未来永劫のインフレーションを生み出します。単純化した例として、インフレーション中に、インフレーション場の自然減衰率が量子ゆらぎの影響に比べて遅いと仮定します。ミニ宇宙が膨張し、例えば因果的に分断された20個のミニ宇宙（元のミニ宇宙と同じ大きさ）に「自己複製」すると、おそらく9つの新しいミニ宇宙は、元のミニ宇宙よりも平均インフレーション場の値が小さくなるのではなく、大きくなるでしょう。なぜなら、これらのミニ宇宙は、量子ゆらぎによってインフレーション値が上昇する方が、遅いインフレーション減衰率によってインフレーション値が下降するよりも大きい、元のミニ宇宙の領域から膨張したからです。元々、与えられたインフレーション値を持つミニ宇宙は1つしかありませんでした。今では、インフレーション値がわずかに高い9つのミニ宇宙が存在する。（もちろん、インフレーション値が元の値よりわずかに低いミニ宇宙も11個存在する。）インフレーション値が大きいミニ宇宙はそれぞれ、自身の中で同様の自己増殖を繰り返す。（インフレーション値の低いミニ宇宙も、インフレーション値が小さすぎてその領域がインフレーションから脱落し、自己増殖を停止しない限り、増殖する可能性がある。）このプロセスは無限に続く。インフレーション値の高い9つのミニ宇宙は、81になり、さらに729になるかもしれない…このように、インフレーションは永遠に続く。[ 7 ]

1980年に、ヴィアチェスラフ・ムハノフとゲンナジー・チビソフ[ 8 ] [ 9 ]は、アレクセイ・スタロビンスキー[ 10 ]による修正重力モデルの文脈で、量子ゆらぎが銀河形成の種子となる可能性があることを示唆した。

インフレーションの文脈において、量子ゆらぎは1982年にケンブリッジ大学で3週間にわたって開催されたナフィールド初期宇宙ワークショップで初めて分析されました。[ 11 ]ゆらぎの平均強度は、ワークショップ期間中に別々に作業していた4つのグループによって初めて計算されました。4つのグループは、スティーブン・ホーキング、[ 12 ]スタロビンスキー、[ 13 ]ガスとソーヤング・パイ、[ 14 ]ジェームズ・M・バーディーン、ポール・スタインハート、マイケル・ターナーです。[ 15 ]

ナフィールド・ワークショップで得られた初期の計算は、平均的な変動のみに焦点を当てており、その変動の大きさはインフレーションに影響を与えるには小さすぎました。しかし、スタインハート[ 1 ]とヴィレンキン[ 2 ]が提示した例を皮切りに、同じ量子物理学が時折大きな変動を生み出し、それがインフレーション率を高め、インフレーションを永遠に持続させることが示されました。

さらなる展開

2013年のプランク衛星データの解析において、アンナ・イジャスとポール・スタインハートは、教科書的なインフレーションモデルの中で最も単純なモデルは排除され、残ったモデルは指数関数的に調整された初期条件、調整すべきパラメータの増加、そしてより少ないインフレーションを必要とすることを示しました。2015年に報告されたプランク衛星の観測結果は、これらの結論を裏付けました。[ 16 ] [ 17 ]

2014年のコーリとハスラムの論文は、量子ゆらぎをガウス白色ノイズとしてモデル化するリンデのカオス的インフレーション理論を解析することにより、永遠インフレーション理論の実現可能性に疑問を投げかけた。[ 18 ]彼らは、この一般的なシナリオでは、永遠インフレーションは実際には永遠ではあり得ず、ランダムノイズによって時空が特異点で満たされることを示した。これは、アインシュタイン場の方程式の解が有限時間で発散することを示すことによって実証された。したがって、彼らの論文は、ランダムな量子ゆらぎに基づく永遠インフレーション理論は実現可能な理論ではなく、結果として生じる多元宇宙の存在は「依然として非常に未解決の問題であり、より深い調査が必要となる」と結論付けた。

インフレーション、永遠のインフレーション、そして多元宇宙

1983 年、インフレーションは永遠であり、あらゆる物理的可能性にわたって、空間が泡またはパッチに分割され、パッチごとに特性が異なる 多元宇宙につながる可能性があることが示されました。

永遠のインフレーションの最初の例を提示したポール・スタインハート[ 1 ]は、最終的にこの理論に強く反対するようになった。彼は、多元宇宙はインフレーション理論の破綻を象徴していると主張した。多元宇宙ではあらゆる結果が等しく起こり得るため、インフレーションは予測できず、したがって検証不可能であるからだ。したがって、インフレーションは科学理論の重要な条件を満たしていないと彼は主張した。[ 19 ] [ 20 ]

しかし、リンデとグースはインフレーション理論と多元宇宙論を支持し続けた。グースは次のように宣言した。

インフレーションのモデルを構築する際に、多元宇宙論を導き出さないことは困難です。不可能ではないので、まだ研究が必要なのは確かだと思います。しかし、ほとんどのインフレーションのモデルは多元宇宙論を導き出しており、インフレーションの証拠は、多元宇宙論を真剣に受け止める方向に私たちを導くでしょう。[ 21 ]

リンデによれば、「多元宇宙を許容しないインフレーションモデルを発明することは可能だが、難しい。インフレーション理論の信憑性を高める実験はどれも、多元宇宙が現実であるというヒントに大きく近づくことになる。」[ 21 ]

2018年、スティーブン・ホーキングとトーマス・ヘルトグは論文を発表し、無限の多元宇宙の必要性は消滅したと述べている。ホーキングによれば、彼らの理論は「適度に滑らかで、大域的に有限」な宇宙を与えるという。[22] [23] この理論は、ホログラフィック原理を用いて、時間のない永遠のインフレーション状態からの「出口面」を定義する。この面上に生成される宇宙は、境界のない波動関数の再定義を用いて記述される。実際、この理論は時間の始まりに境界を必要とする。[ 24 ]簡単に言えば、ホーキングは彼らの発見は「多元宇宙の大幅な縮小を意味する」と述べており、ケンブリッジ大学が指摘するように、この理論は重力波天文学を用いて「予測可能かつ検証可能」になる。[ 25 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c dギボンズ, ゲイリー・W. ;ホーキング, スティーブン・W. ; シクロス, STC編 (1983). 「自然インフレーション」.初期宇宙.ケンブリッジ大学出版局. pp.  251–66 . ISBN 978-0-521-31677-4。
  2. ^ a b c Vilenkin, Alexander (1983). 「インフレーション宇宙の誕生」. Physical Review D. 27 ( 12): 2848– 2855. Bibcode : 1983PhRvD..27.2848V . doi : 10.1103/PhysRevD.27.2848 .
  3. ^ Guth, Alan H. (2007). 「永遠インフレーションとその影響」J. Phys. A . 40 (25): 6811– 6826. arXiv : hep-th/0702178 . Bibcode : 2007JPhA...40.6811G . doi : 10.1088/1751-8113/40/25/S25 . S2CID 18669045 . 
  4. ^ Guth, Alan H. (1981). 「インフレーション宇宙：地平線問題と平坦性問題への可能な解決策」 . Phys. Rev. D. 23 ( 2): 347– 356. Bibcode : 1981PhRvD..23..347G . doi : 10.1103/PhysRevD.23.347 .
  5. ^ Albrecht, A.; Steinhardt, PJ (1982). 「放射誘起対称性の破れを伴う大統一理論のための宇宙論」. Phys. Rev. Lett . 48 (17): 1220– 1223. Bibcode : 1982PhRvL..48.1220A . doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1220 .
  6. ^ Linde, AD (1986年8月). 「永遠に存在する自己複製カオス的インフレーション宇宙」(PDF) . Physics Letters B. 175 ( 4): 395– 400. Bibcode : 1986PhLB..175..395L . doi : 10.1016/0370-2693(86)90611-8 .
  7. ^リンデ、アンドレイ. 「インフレーション宇宙論」インフレーション宇宙論. シュプリンガー・ベルリン・ハイデルベルク, 2008年. 1-54.
  8. ^ Mukhanov, ViatcheslavF.; Chibisov, GV (1981). 「量子ゆらぎと「非特異」宇宙」JETP Letters . 33 : 532–5 . Bibcode : 1981JETPL..33..532M .
  9. ^ムハノフ、ヴィアチェスラフ・F. (1982). 「真空エネルギーと宇宙の大規模構造」.ソビエト物理学JETP . 56 (2): 258–65 . Bibcode : 1982JETP...56..258M .
  10. ^ Starobinsky, AA (1979). 「残存重力放射スペクトルと宇宙の初期状態」(PDF) . JETP Lett . 30 : 682. Bibcode : 1979JETPL..30..682S . 2017年12月15日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年12月31日閲覧。
  11. ^ワークショップの一般的な説明についてはGuth (1997)を参照、またはThe Very Early Universe、 ISBN 0521316774より詳細なレポートについては、Hawking、Gibbon、Siklos編をご覧ください。
  12. ^ホーキング, スティーブン・W. (1982). 「単一バブルインフレーション宇宙における不規則性の発達」. Physics Letters B. 115 ( 4): 295– 297. Bibcode : 1982PhLB..115..295H . doi : 10.1016/0370-2693(82)90373-2 .
  13. ^ Starobinsky, Alexei A. (1982). 「新しいインフレーション宇宙シナリオにおける相転移のダイナミクスと摂動の生成」. Physics Letters B. 117 ( 3–4 ) : 175–8 . Bibcode : 1982PhLB..117..175S . doi : 10.1016/0370-2693(82)90541-X .
  14. ^ Guth, AH; Pi, So-Young (1982). 「新しいインフレーション宇宙における揺らぎ」. Physical Review Letters . 49 (15): 1110–3 . Bibcode : 1982PhRvL..49.1110G . doi : 10.1103/PhysRevLett.49.1110 .
  15. ^バーディーン, ジェームズ・M.; スタインハート, ポール・J.; ターナー, マイケル・S. (1983). 「インフレーション宇宙におけるほぼスケールフリーな密度摂動の自発的生成」. Physical Review D. 28 ( 4): 679– 693. Bibcode : 1983PhRvD..28..679B . doi : 10.1103/PhysRevD.28.679 .
  16. ^ Iijas, Anna; Loeb, Abraham; Steinhardt, Paul (2013). 「プランク2013後のインフレーションパラダイムの危機」. Phys. Lett. B. 723 ( 4–5 ) : 261– 266. arXiv : 1304.2785 . Bibcode : 2013PhLB..723..261I . doi : 10.1016/j.physletb.2013.05.023 . S2CID 14875751 . 
  17. ^ Iijas, Anna; Steinhardt, Paul J.; Loeb, Abraham (2014). 「インフレーション分裂」. Phys . Lett. B. 7 : 142–146 . arXiv : 1402.6980 . Bibcode : 2014PhLB..736..142I . doi : 10.1016/j.physletb.2014.07.012 . S2CID 119096427 . 
  18. ^ Ijjas, Anna; Steinhardt, Paul J.; Loeb, Abraham (2015). 「永久インフレーションにおける数学的問題」.クラス. 量子重力. 32 (7) 075001. arXiv : 1408.2249 . Bibcode : 2015CQGra..32g5001S . doi : 10.1088/0264-9381/32/7/075001 . S2CID 119321525 . 
  19. ^ Steinhardt, Paul J. (2011年4月). 「インフレーション論争：現代宇宙論の中心にある理論には深刻な欠陥があるのか​​？」(PDF) . Scientific American . 304 (4): 36– 43. Bibcode : 2011SciAm.304d..36S . doi : 10.1038/scientificamerican0411-36 . PMID 21495480. 2014年8月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年10月7日閲覧。 
  20. ^宇宙の循環理論 2010年6月12日アーカイブウェイバックマシン
  21. ^ a b「宇宙は多元宇宙に存在する可能性がある、宇宙インフレーションの発見が示唆」 Space.com 、 2014年3月18日。
  22. ^ Cho, Adrian (2018年5月2日). 「スティーブン・ホーキングの（ほぼ）最後の論文：宇宙の始まりに終止符を打つ」 . Science | AAAS . 2020年10月15日閲覧。
  23. ^ホーキング、スティーブン・W.；ヘルトグ、トーマス（2018年4月27日）「永遠のインフレーションからのスムーズな脱出？」Journal of High Energy Physics . 2018 (4): 147. arXiv : 1707.07702 . Bibcode : 2018JHEP...04..147H . doi : 10.1007/JHEP04(2018)147 . ISSN 1029-8479 . S2CID 13745992 .  
  24. ^ “Before the Big Bang 5: The No Boundary Proposal” . YouTube . skydivephil. 2017年11月7日. 2021年12月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年10月16日閲覧。
  25. ^ 「多元宇宙を操る：スティーブン・ホーキングのビッグバンに関する最終理論」ケンブリッジ大学。2018年5月2日。 2020年10月15日閲覧。
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