それは、宇宙論の最も基本的な疑問です。
この質問は、宇宙に実際の出発点があったことを前提としていますが、宇宙が常に存在し、常に存在し続けると仮定することもできます。
「ビッグバンがあったことを示す非常に良い証拠があるので、私たちが知っている宇宙が140億年前に始まったことはほぼ間違いありません」。 しかし、それが絶対的な始まりだったのか、それともその前に何かがあったのか」と、ボストン近郊のタフツ大学の宇宙学者、アレクサンダー・ビレンキン氏は問いかけます。 誰かが解決策を提案するたびに、他の誰かが厄介な質問をし続けることになるので、本当の意味での答えは得られない質問のようです。 その前に何があったの？
しかし、今、ヴィレンキン氏は、説得力のある証拠を手にしていると言います。 宇宙には明確な始まりがあったのです。
タフツ宇宙論研究所の所長を務めた20年以上のキャリアを含め、ヴィレンキン氏は一連のワイルドで目を見張るようなアイデアを発表してきましたが、外見からはワイルドでもなく、目を見張るようでもありませんでした。 64歳のビレンキン教授は、物腰が柔らかく、スリムで控えめな体型をしている。 服装もきちんとしていて、目立たないように中性的で控えめな色を使っています。
このように控えめな態度にもかかわらず、Vilenkin氏は創造力にあふれ、想像を絶する難問を取り巻く霧に穴を開ける方法を常に見つけ出し、世界中の学者から尊敬を集めています。 “スタンフォード大学の宇宙学者であるアンドレイ・リンデ氏は、「アレックスは非常に独創的で深い思想の持ち主であり、宇宙の創造に関する我々の考えに重要かつ深い貢献をしてきた」と述べています。
しかしながら、このような輝かしいキャリアは実現しなかったかもしれません。 1949年にソ連で生まれ、ウクライナの都市ハリコフで育ったビレンキンは、高校時代にアーサー・エディントン卿の著書でビッグバンのことを知り、宇宙論に夢中になった。 宇宙の起源への「こだわり」は、「ずっと消えない」とヴィレンキンは言う。
ハリコフ国立大学の学部生だったヴィレンキンは、初心に返って宇宙論を学ぶよりも、「本当の物理学を学べ」と勧められたという。 彼は優秀な学生だったが、物理学の大学院には入れなかった。なぜなら、KGBが彼を政府の情報提供者になることを拒否したため、ブラックリストに載せたからだと思われる。 そのため、ヴィレンキンは平凡な仕事に就くことを余儀なくされた。 一時期、成人向けの夜間学校の教師をしていたが、アルコール依存症の人が多い不在者の家に行って、学校に連れて行くという大変な仕事だったので、その職を辞した。
彼は約1年半の間、ハリコフ動物園の夜警を務めた。 動物を守るために、ライフル銃を与えられたが、使い方がわからず、幸いにも撃つことはなかった。 夜中に時間があれば、アインシュタインの著作集（4巻）を読むなどして、物理学を学んだ。 読んだ本の内容から、「この仕事には向いていない」と判断されて解雇されたのである。
就職の見通しが立たない中、彼はアメリカへの移住を決意した。まずは皿洗いをしながら、アカデミックな世界に飛び込もうと考えたのだ。 しかし、ソ連を脱出するには綿密な計画が必要だった。 彼のようなユダヤ人がイスラエルに行くには、人数制限があり、まずイスラエル人の親族から招待を受けなければならない。 ヴィレンキンはイスラエルに親戚がいなかったので、イスラエルに知り合いがいる友人に連絡を取り、見ず知らずの人が親切に手紙を書いてくれる人を見つけた。
その手紙が届いてから、1年かけてビザを取得したのだが、それには大きな犠牲が伴った。 ヴィレンキン氏と妻が出国するには、両親の同意が必要だった。 承諾したことで、妻の両親は研究室の仕事を失った。 大学教授だった父も、後に職を失った。 イスラエルへ行くには、本来ならばウィーンに立ち寄るのだが、ヴィレンキン氏と妻、1歳の娘は、ウィーンではなくローマに行き、1976年に到着した。
ビッグバンへの回帰
1977年秋、ヴィレンキンはケース・ウェスタン・リザーブ大学の博士号取得者となり、加熱された金属の電気的特性を研究することになった。 しかし、その傍らで、回転するブラックホールとその謎の磁場について理論的な考察を行っていた。 その1年後、タフツ大学から1年間の客員教授の職を得て、彼は幸運を手に入れた。
それから1年後、タフツ大学から1年間の客員職のオファーを受け、当時は縁遠い分野とされていた宇宙論に賭けてみたのです。
それはすぐに変わりました。 1979年末、スタンフォード大学の物理学のポスドクであるアラン・グースが、ビッグバンの爆発的な力を説明したのです。 グースは、素粒子物理学の理論に基づいて、実験室では到達できないほどの超高エネルギーでは、特殊な物質の状態が重力を逆さまにし、引力ではなく反発力になると考えたのです。
この特殊な物質をわずかに含んだ宇宙空間は、文字通り爆発するほどの激しい反発を起こす可能性があります。 グースは、このような爆発がビッグバンの引き金となり、宇宙が一気に拡大して、少なくとも100倍の大きさになったと考えました。
このアイデアは同時に、宇宙論の多くの謎を解決しました。
このアイデアは同時に、宇宙論の多くの謎を解決しました。 また、あらゆる方向への急激なインフレーションにより、現在観測されている宇宙が非常に均質であることや、原始時代の爆発から残された背景放射の温度が、空のあらゆる場所で10万分の1にまで均一であることも説明されました。
The Never-Ending Story
グースのブレークスルーから数年後の1982年、ビレンキンはあることに気がつきました。 インフレのプロセスは永遠でなければならない、つまり、一度始まったら完全には止まらない。 インフレーションは永遠に続くものでなければならない。
ヴィレンキンの考えでは、インフレーションが永遠に続くのは、宇宙を急速に膨張させる重力反発物質である宇宙燃料の2つの相反する性質に起因する。 それは、宇宙を急速に膨張させる重力反発物質である「宇宙燃料」が、放射性物質のように不安定で崩壊するという性質を持っていたことだ。 一方で、この物質は崩壊するよりもはるかに速く膨張するため、ある地域では崩壊によってインフレーションが停止しても、別の地域では暴走的な成長が続くことになります。
例えとしてVilenkin氏は、繁殖して成長し続けようとするバクテリアの塊と、バクテリアを殺す抗体がその成長を抑えようとしている様子を提案しています。 バクテリアが破壊されるよりも早く繁殖すれば、一部で繁殖が阻害されたとしても、バクテリアはすぐに増殖して広がります。
この現象を理解するために、ビレンキンは1986年にタフツ大学の大学院生であるムクンダ・アーヤルと共同で、永遠に膨張し続ける宇宙の様子をコンピューターでシミュレーションしました。 シミュレーションでは、膨張している領域（バブル）は、最初は小さく、次第に大きくなり、バブルとバブルの間の空間も伸びていく。
Road to Eternity
Vilenkin氏の泡立つ宇宙では、インフレーションは定義上、未来に向かって永遠に続くものでした。 一度始まったインフレーションは止まらないのです。 しかし、それは過去に対しても永遠に続くのでしょうか？ 宇宙が膨張していない時はあったのでしょうか？
この疑問を解決するために、ヴィレンキンは、グースやロングアイランド大学の数学者アービンド・ボルデと協力しました。 ヴィレンキンは、グースやロングアイランド大学の数学者アービンド・ボルデと協力して、私たちのような膨張する宇宙には始まりがあるはずだと数学的に証明しました。 彼らが行った思考実験は次のようなものだった。 粒子で埋め尽くされた宇宙があるとします。 宇宙は粒子で埋め尽くされていて、それがどんどん広がっていくと、粒子と粒子の間の距離が広がっていきます。 そうすると、宇宙に散らばっている観測者はお互いに離れていき、最終的には宇宙の広い範囲を占めることになります。 もし、あなたがその観測者の一人であれば、自分から遠いものほど、速く遠ざかっていくことになります。
ここで、ある宇宙旅行者が一定の速度で宇宙を移動しているとします。 しかし、例えば秒速2万キロで遠ざかる隣の銀河に到達したとき、その銀河の観測者には秒速8万キロでしか動いていないように見えます。 さらに旅を続けていくと、すれ違う観測者には宇宙旅行者の速度がどんどん小さく見えてくる。 次に、動画を逆再生してみましょう。
もし、インフレーションが過去から永遠に続くと仮定すると、つまり、インフレーションには始まりがないと仮定すると、宇宙旅行者は最終的に光の速度に到達し、追い越すことになります。 Borde、Guth、Vilenkinによる計算では、これが有限の時間で起こることがわかりました。 しかし、相対性理論の法則によれば、どんな巨大な物体でも光速に到達することはもちろん、超えることも不可能である。 “ヴィレンキンは「そんなことはありえない」と言う。 “だから、この宇宙旅行者の歴史をさかのぼってみると、彼の歴史は終わりを迎えなければならないことがわかる。
宇宙旅行者の歴史が行き詰まるということは、このシナリオの前提となっている、拡大し続ける宇宙という仮定に、論理的な観点から問題があるということです。 つまり、宇宙は常に膨張しているわけではないのです。 宇宙の膨張には始まりがあるはずで、特に爆発的な膨張であるインフレーションにも始まりがあるはずなのです。 この論理によれば、私たちの宇宙もまた、過去ではなく未来に向かって永遠に続くインフレーションのプロセスによって生まれたということになります。
Something From Nothing
宇宙に始まりがあるということは、厄介な疑問が生じます。 どのようにして始まったのか？ Vilenkin氏の答えは確定したものではなく、おそらく今後も実現することはないでしょうが、それでも彼がこれまでに聞いた中では最良の解決策です。 この幻想的で輝かしい宇宙は、何もないところから自然に生まれたのかもしれない」。 この異端の発言は、宇宙の誕生という、計り知れないほどの高エネルギーで発生すると考えられている事象については、常識を覆すものである。 また、2,000年以上前にローマの哲学者ルクレティウスが主張した「無から有を生み出すことはできない」という言葉にも反しています。
もちろん、ルクレティウスは、量子力学やインフレーション宇宙論といった、彼の大胆な主張を覆す20世紀の分野を知らなかった。 “ヴィレンキン氏は、「私たちは通常、無から有を生み出すことはできないと言っていますが、それはエネルギー保存の法則に反すると考えているからです」と説明します。
「宇宙がこの問題を回避する方法は、重力エネルギーがマイナスであることです」とヴィレンキン氏は言います。 これは、閉じた宇宙のエネルギーがゼロであることが数学的に証明されていることに起因する。 物質のエネルギーは正、引力のエネルギーは負であり、これらを足すと必ずゼロになります。 “物質のエネルギーは正であり、重力のエネルギーは負であり、それらは常にゼロになります。
ヴィレンキン氏の計算によると、無から作られた宇宙は確かに小さく、例えば陽子よりもはるかに小さいと思われます。
ヴィレンキンの計算によると、何もないところから作られた宇宙は、陽子よりもはるかに小さく、ほんのわずかな反発力を持つ物質が含まれていれば、それだけで、私たちが今住んでいる宇宙につながる、止められない永遠のインフレーションのプロセスに火をつけることができるのです。
この理論が正しいとすれば、私たちの存在は、最も謙虚な起源である無そのものに負っていることになります。
この絵が正しいとすれば、宇宙の自然発生的な創造が、物事に明確な出発点を与えるということです。 時間は創造の瞬間から始まり、「その前に何が起こったのか」という終わりのない疑問に終止符を打ちます。
しかし、この説明にはまだ大きな謎が残されています。 ヴィレンキンの説では、宇宙は空間も時間も物質もないという意味で無から生まれるが、その前に物理法則というものが存在する。 物理法則は、私たちの宇宙を生み出す「無から有へ」の瞬間を支配し、また、時間の最初のナノ秒で引き継がれる「永遠のインフレーション」を支配しています。 物理学の法則は、それを適用できる宇宙が存在する前は、どこに存在していたのか？ 物理法則は、宇宙が存在する前はどこに存在していたのか、空間や時間とは無関係に存在するのか。 “物理学の法則がどこから来たのかは、大きな謎です。 物理法則がどこから来たのかは大きな謎で、どうやってアプローチすればいいのかもわからない」とヴィレンキンは認めている。 “しかし、インフレーションが起こる前は、インフレーションが解決した問題にどうアプローチすればいいのかさえわからなかったのです。
クリント・イーストウッドの映画『マグナム・フォース』の中で、ハリー・キャラハンが「男は自分の限界を知らなければならない」と言っていますが、ビレンキンの仕事は、従来の限界を超えることの証しです。
抜け道をなくす
抜け道その1
自分の仮説を補強するために、ヴィレンキンは他のモデル宇宙を研究し、明確な宇宙デビューという考えに反する抜け道をなくしました。 2012年にタフツ大学の大学院生オードリー・ミタニと共同で発表した論文では、プリンストン大学の物理学者ポール・スタインハートやペリメーター研究所のニール・トゥロックが研究している「周期的」な宇宙を検証しました。
このモデルでは、ビッグバンも始まりも一度もない。
このモデルでは、1回のビッグバンも1回の始まりもなく、宇宙は膨張、収縮、崩壊、そして新たな膨張という振動サイクルを繰り返しています。 しかし、この周期的な宇宙は、閉じたシステムのエントロピー（無秩序）が時間とともに必然的に増加するという熱力学の第二法則に抵触してしまいます。
例えば、華麗なレンガ造りの邸宅は非常に整然としていますが、自然の猛威や何十年、何百年も放置された結果、地面に散らばったレンガの山は、より無秩序です。 また、レンガ自体が劣化した後に風や水によって撒き散らされたレンガの粉は、さらに無秩序なものです。 システムをそのままにしておくと、たとえバブルの宇宙であっても、自然にこのような状態になります。 レンガ造りの屋敷が、飛散した塵から自然に元通りになることはあまりありません。
もし私たちの宇宙が永遠に存在し、安定した大きさを維持しているのであれば、それもまた第二法則に屈することになるでしょう。 無秩序がどんどん増えていき、今では滑らかで特徴のないぼんやりとした宇宙になってしまったのです。 しかし、私たちが見ているのはそんなものではありません。 銀河、銀河団、スーパークラスターと呼ばれる銀河団の集合体、銀河フィラメントと呼ばれるスーパークラスターの集合体など、壮大な宇宙構造に満ちた宇宙が見えます。
このような理由から、Vilenkin氏は、膨張と収縮の各サイクルの後に、宇宙が開始時よりもある程度大きくなって終わるという追加の仮定をしない限り、周期的宇宙の絵を除外しています。 このように仮定すると、再び膨張する宇宙が存在することになり、元のBorde-Guth-Vilenkinの定理が適用されることになります。
抜け道その2
もう1つの抜け道は、南アフリカの宇宙学者ジョージ・エリスなどが提唱した「宇宙の卵」というシナリオです。 この説によると、宇宙は一定の大きさと半径を持つ安定した構成で永遠に存在し続け、突然拡大し始めるというもので、まるで特別に長い孵化期間を経て孵化した卵のようです。
VilenkinとMithaniによると、この命題の問題点は、小さな「安定した」宇宙は、結局それほど安定していないということです。 長い待ち時間の間に、膨張期に到達する前に、いつの間にか崩壊して無になってしまうのです – 量子力学の法則を信じるならば、ですが。
量子力学は、原子スケールで物事がどのように機能するかを記述するための物理学の有力な一分野ですが、非常によく検証されており、また非常に奇妙です。 量子力学では、何かが起こる可能性がほんの少しでもあれば、どんなに不条理に聞こえるかもしれませんが、十分に待っていれば必ずそのことが起こると考えます。
その結果、量子力学の公式では、宇宙の卵である宇宙がゼロサイズに崩壊して、かつての宇宙が完全に消滅する可能性がわずかながら（しかしゼロではない）予測されています。
しかし、Vilenkin氏によると、始まりのない宇宙についてこれまでに考えられたすべてのアイデアのうち、どれもうまくいかないようです。 “
この記事は、”Starting Point “として印刷されたものです。