宇宙の始まりとされるビッグバンは特異点であり、既存の理論では計算できない
宇宙の始まりとされるビッグバンは特異点であり、既存の理論では計算できない / Credit:canva
physics

宇宙に始まりはなく過去が無限に存在する可能性が示される

2021.10.14 Thursday

The Universe May Have Never Begun, Physicists Say https://www.sciencealert.com/the-universe-may-have-never-begun-physicists-say 時間と空間の起源 https://www.natureasia.com/ja-jp/ndigest/v10/n11/%E6%99%82%E9%96%93%E3%81%A8%E7%A9%BA%E9%96%93%E3%81%AE%E8%B5%B7%E6%BA%90/48359
If time had no beginning https://arxiv.org/abs/2109.11953

宇宙はビッグバンによって始まり、それ以前は「無」だったというのが現在の定説となっています。

けれど、もしかしたら私たちの宇宙は常に存在していて始まりはなかった可能性が、新たな量子重力理論によって示されました。

イギリス・リバプール大学(University of Liverpool)の研究チームは、因果集合理論(causal set theory)と呼ばれる量子重力の新しい理論を使い、宇宙の始まりについて計算したところ、宇宙に始まりはなく無限の過去に常に存在していたという結果を得ました。

この結果に従うと、ビッグバンは宇宙が遂げた最近の進化の1つでしかないということになります。

この研究成果は、9月24日にプレプリントサーバー『arXiv』で公開された論文に掲載されています。

物理学が未だに説明できていない問題

現在、物理学にはまったく異なる2つの理論が存在し、どちらも大きな成功を収めています。

その2つの理論とは、量子力学一般相対性理論です。

量子力学は、自然界を支配する4つの基本的な力のうち、3つの力(電磁気力、弱い力、強い力)を微小な世界で記述することに成功しました。

ただ、重力についてはまだうまく説明することができていません。

一方、一般相対性理論は、これまで考案された中でもっとも強力で完全な重力の記述方法です。

しかし、一般相対性理論にも不完全な部分があり、この世界で2つのポイントについてだけ理論が破綻しています

それがブラックホールの中心」宇宙の始まり」です。

ここについては、一般相対性理論でも計算が破綻してしまい、信頼できる結果を得ることができません。

そのため、これらの領域は「特異点」と呼ばれていて、現状の物理理論が及ばない時空のスポットとされています。

これは、一般相対性理論が数学的につまづいているポイントでもあります。

ブラックホールの質量は時空の曲率が無限大になる特異点に集中している
ブラックホールの質量は時空の曲率が無限大になる特異点に集中している / Credit:京都産業大学,Catch Up WORLD

この2つの特異点で、一般相対性理論がうまく機能しない理由は、この場所では重力が非常に小さなスケールで非常に強くなっているためです。

一般相対性理論はマクロな世界を記述する古典物理学の理論のため、微視的な世界の重力をうまく取り扱うことはできていません。

一般相対性理論は重力を時空の曲率として表現しています。

投げたボールが地面に落ちるのは、地球が歪めた空間に沿って、ボールが軌跡を曲げ、それが地面と交わるためです。

しかしあまりに微視的な世界では、空間が歪むだけでは重力を記述できません。アインシュタインも生涯この問題に悩んでいました。

そのため、この微視的な世界の強い重力を記述するための新しい理論が必要となります。

そこで、現在考えられているのが「量子重力理論」です。

ただこの理論も「超ひも理論」や「ループ量子重力」など、さまざまな候補が存在していますが、まだ完成されていません。

しかし、そのすべてが同じような方向から問題のアプローチをかけています。

それが「時間と空間というものがなぜ存在するのか?」「どこから生じているのか?」「そもそも時空のもっとも基本的な構造とはなんなのか?」ということです。

量子重力理論を考えたとき、いずれの候補理論も、時間と空間がもっと根本的な何かから生じているということを考慮しないとうまく話が進まないのです。

そして、この疑問に対処する、新しいアプローチが登場しています。

それが「因果集合理論」です。

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