循環モデル

周期的モデル（または振動モデル）とは、宇宙が無限、あるいは無期限の自己持続的な周期を辿るという、いくつかの宇宙論モデルのいずれかである。例えば、アルバート・アインシュタインが1930年に短期間検討した振動宇宙論は、ビッグバンで始まりビッグクランチで終わる、永遠の振動の連続を辿る宇宙を理論化した。その間、宇宙は一定期間膨張した後、物質の重力によって収縮し、跳ね返る。

概要

1920年代、理論物理学者、特にアルバート・アインシュタインは、膨張宇宙モデルの（永遠の）代替として、宇宙の循環モデルの可能性に注目した。1922年、アレクサンダー・フリードマンは振動宇宙理論を発表した。[ 1 ]しかし、 1934年のリチャード・C・トールマンの研究は、これらの初期の試みは循環問題のために失敗したことを示した。熱力学の第二法則によれば、エントロピーは増加する一方である。[ 2 ]これは、連続するサイクルがより長くより大きくなることを意味する。時間を遡って推定すると、現在のサイクルより前のサイクルはより短くより小さくなり、再びビッグバンで最高潮に達し、ビッグバンに取って代わることはない。この不可解な状況は、最近発見されたダークエネルギー成分が一貫した循環宇宙論への新たな希望をもたらした21世紀初頭まで、何十年も続いた。[ 3 ] 2011年には、20万個の銀河と70億年の宇宙時間にわたる5年間の調査により、「暗黒エネルギーが宇宙を加速的に分裂させている」ことが確認されました。[ 4 ] [ 5 ]

新たな循環モデルの一つは、宇宙創成に関するブレーン宇宙論モデルであり、これは以前のエクピロティックモデルから派生したものである。このモデルは2001年にプリンストン大学のポール・スタインハートとケンブリッジ大学のニール・トゥロックによって提唱された。この理論は、宇宙が一度だけではなく、時間の経過とともに繰り返し爆発して誕生することを説明している。[ 6 ] [ 7 ]この理論は、宇宙の膨張を加速させている宇宙定数と呼ばれる反発的なエネルギーが、標準的なビッグバンモデルによって予測されるよりも数桁小さい理由を説明できる可能性がある。

ファントムエネルギーの概念に基づく別の循環モデルが、 2007年にノースカロライナ大学チャペルヒル校のローリス・バウムとポール・フランプトンによって提案された。[ 8 ]

他の循環モデルには、共形循環宇宙論やループ量子宇宙論などがあります。

スタインハート・テュロックモデル

この循環モデルでは、2 つの平行なオービフォールド平面、つまりM ブレーンが高次元空間で周期的に衝突します。[ 9 ]目に見える 4 次元宇宙は、これらのブレーンの 1 つの上にあります。衝突は、収縮から膨張への反転、つまりビッグバンの直後に起こったビッグクランチに対応します。今日見られる物質と放射線は、ブレーンの前に生成された量子ゆらぎによって決まるパターンで、最新の衝突中に生成されました。数十億年後、宇宙は今日観測されている状態に達しました。さらに数十億年後、宇宙は最終的に再び収縮し始めます。ダーク エネルギーはブレーン間の力に対応し、モノポール、地平線、平坦性の問題を解決する重要な役割を果たします。さらに、サイクルは過去と未来に無限に続く可能性があり、解はアトラクターであるため、宇宙の完全な歴史を提供できます。

リチャード・C・トールマンが示したように、初期の循環モデルは、宇宙が避けられない熱力学的熱死を経験するため破綻した。[ 2 ]しかし、新しい循環モデルは、各サイクルで正味膨張を行うことでこれを回避し、エントロピーの蓄積を防いでいる。しかし、このモデルには大きな未解決問題が残っている。その最たるものは、衝突するブレーンが弦理論家に理解されておらず、スケール不変スペクトルがビッグクランチによって破壊されるかどうか誰も知らないということである。さらに、宇宙インフレーションと同様に、真空の揺らぎを生み出すのに必要な力（エクピロティックなシナリオではブレーン間の力）の一般的な性質はわかっているものの、素粒子物理学からはそれを示す候補は見当たらない。[ 10 ]

バウム・フランプトンモデル

2007 年のこのより新しい循環モデルは、負の運動エネルギーを持ち、通常宇宙をビッグリップ で終わらせるであろうファントムエネルギー [ 8 ] [ 11 ] と呼ばれるエキゾチックな形のダークエネルギーを仮定している。この状態は、エネルギー密度と圧力 p に対して、条件 を満たす宇宙論的状態方程式パラメータを持つダークエネルギーが宇宙を支配している場合に達成される。対照的に、スタインハート–テュロックは を仮定している。バウム–フランプトンモデルでは、ビッグリップ となるであろう時点の 10 兆分の 1 秒 (またはそれ以下) (つまり 10 −24秒またはそれ以下) 前に方向転換が起こり、因果パッチが 1 つだけ私たちの宇宙として保持される。一般的なパッチにはクォーク、レプトン、力の運搬者は含まれず、ダークエネルギーだけが含まれるため、そのエントロピーはしたがって消滅する。このはるかに小さな宇宙の断熱収縮過程は、エントロピーが一定に消失し、方向転換前に崩壊したブラックホールなどの物質がない状態で発生します。 わ{\displaystyle w}わ≡pρ<−1{\displaystyle w\equiv {\frac {p}{\rho }}<-1}ρ{\displaystyle {\rho}}わ≥−1{\displaystyle w{\geq }-1}

宇宙が「空っぽに戻る」という考えは、この循環モデルの中心的な新しい考え方であり、収縮期の物質が直面する多くの困難、例えば過剰な構造形成、ブラックホールの増殖と膨張、そしてQCDや電弱対称性の回復といった相転移を回避します。これらのいずれも、熱力学第二法則の破れを避けるために、望ましくない早期の反跳を強く引き起こす傾向があります。エントロピー問題のため、真に無限循環的な宇宙論においては、 の条件は論理的に避けられないかもしれません。しかしながら、このアプローチの整合性を確認するためには、多くの技術的な裏付け計算が必要です。このモデルは弦理論からアイデアを借用していますが、必ずしも弦理論や高次元にコミットしているわけではありません。しかし、このような推測的な手法は、内部整合性を調査するための最も迅速な方法となる可能性があります。バウム・フランプトンモデルにおける の値は、-1 に任意に近づけることができますが、-1 未満でなければなりません。 わ<−1{\displaystyle w<-1}わ{\displaystyle w}

その他の循環モデル

  • 共形サイクリック宇宙論（ロジャー・ペンローズによる一般相対性理論に基づく理論）では、宇宙は膨張し、すべての物質が崩壊して光に変わるまで膨張し続けるとされている。したがって、宇宙には時間や距離のスケールを持つものは何も存在しない。これにより、宇宙はビッグバンと同一となり、次のサイクルが始まる。
  • 収縮する宇宙の枝と膨張する宇宙の枝の間に「量子橋」が存在すると予測するループ量子宇宙論。
  • ゴルカヴィ「暗黒物質も暗黒エネルギーもない」振動する宇宙- 観測天体物理学と宇宙論における近年の発見により、ニコライ・ゴルカヴィの研究に基づいて、宇宙の体積変動のメカニズムを説明するために、宇宙のあらゆるエキゾチックで仮説的な状態を排除することが可能になった。一般相対性理論に基づくと、各サイクルにおいて、ブラックホールの合体中に重力波が放出され、システムの質量が減少する結果として生じる反重力力の優位性により膨張が始まり（全質量の約5%がエネルギーに変換される）、ブラックホールが重力波を吸収する際に質量が増大する結果として生じる重力力の優位性により圧縮が発生すると想定されている。提案された概念は、特に、現在10億光年の大きさの巨大なブラックホールが存在し、宇宙が1周期で最大約1光年の大きさに圧縮され、いくつかのブラックホールが周期的に変化することを前提としています。

参照

物理的宇宙論:

宗教：

参考文献

  1. ^ 「フリードマン宇宙｜膨張宇宙、ビッグバン＆ダークエネルギー｜ブリタニカ」 www.britannica.com . 2023年9月24日閲覧。
  2. ^ a bトルマン, RC (1987) [1934].相対性理論、熱力学、宇宙論. ニューヨーク: ドーバー. ISBN 978-0-486-65383-9。LCCN  34032023。
  3. ^ Frampton, PH (2006). 「周期的宇宙について」. arXiv : astro-ph/0612243 .
  4. ^ 「ダークエネルギーが宇宙を分裂させている：NASAの銀河進化探査機がダークエネルギーの反発力を発見」 ScienceDaily . 2024年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年1月23日閲覧。
  5. ^マンデルバウム, レイチェル; ブレイク, クリス; ブライドル, サラ; アブダラ, フィリペ B.; ブラフ, サラ; コレス, マシュー; カウチ, ウォーリック; クルーム, スコット;デイビス, タマラ; ドリンクウォーター, マイケル J.; フォースター, カール; グレイズブルック, カール; ジェリフ, ベン; ジュレク, ラッセル J.; リー, イフイ; マドア, バリー; マーティン, クリス; ピンブル, ケビン; プール, グレゴリー B.; プラシー, マイケル; シャープ, ロブ; ウィスニオスキー, エミリー; ウッズ, デイビッド; ワイダー, テッド (2011). 「WiggleZ ダークエネルギーサーベイ：中間赤方偏移における青色銀河の固有アラインメントへの直接的な制約」王立天文学会月報. 410 (2): 844– 859. arXiv : 0911.5347 . Bibcode : 2011MNRAS.410..844M . doi : 10.1111/j.1365-2966.2010.17485.x . S2CID 36510728 . 
  6. ^ Steinhardt, PJ; Turok, N. (2002). 「周期的宇宙における宇宙進化」. Physical Review D. 65 ( 12) 126003. arXiv : hep-th/0111098 . Bibcode : 2002PhRvD..65l6003S . doi : 10.1103/PhysRevD.65.126003 . S2CID 1342094 . 
  7. ^ Steinhardt, PJ; Turok, N. (2001). 「宇宙の循環モデル」. Science . 296 (5572): 1436– 1439. arXiv : hep - th/0111030 . Bibcode : 2002Sci...296.1436S . doi : 10.1126/science.1070462 . PMID 11976408. S2CID 1346107 .  
  8. ^ a b Baum, Lewis; Frampton, PH (2008). 「循環宇宙論における収縮宇宙のエントロピー」. Modern Physics Letters A. 23 ( 1): 33– 36. arXiv : hep-th/0703162 . Bibcode : 2008MPLA...23...33B . doi : 10.1142/S0217732308026170 . S2CID 719844 . 
  9. ^ Steinhardt, PJ; Turok, N. (2005). 「簡略化された周期的モデル」. New Astronomy Reviews . 49 ( 2–6 ): 43– 57. arXiv : astro-ph/0404480 . Bibcode : 2005NewAR..49...43S . doi : 10.1016/j.newar.2005.01.003 . S2CID 16034194 . 
  10. ^ウォイト、ピーター（2006年）『Not Even Wrong（間違っていない）』ロンドン：ランダムハウス、ISBN 978-0-09-948864-4。
  11. ^ Baum, L.; Frampton, PH (2007). 「周期的宇宙論の転換」. Physical Review Letters . 98 (7) 071301. arXiv : hep-th/0610213 . Bibcode : 2007PhRvL..98g1301B . doi : 10.1103/ PhysRevLett.98.071301 . PMID 17359014. S2CID 17698158 .  

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