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ブライアン・ミラー
2022/1/12 13:29
私は昨日の記事で、スティーブン・メイヤーの『Return of the God Hypothesis: Three Scientific Discoveries That Reveal the Mind Behind the Universe (English Edition)』で強調された、宇宙には始まりがあるという結論に挑戦するロジャー・ペンローズの宇宙論モデルが失敗していることを説明しました。今回は、ポール・スタインハートとアンナ・イジャスによって作られたサイクリック宇宙論モデルについて説明し、批評してみたいと思います。彼らのモデルもまた、非常に疑わしい仮定に基づいており、宇宙の始まりについての証拠を覆すことに失敗しています。
スタインハートはインフレーション理論を構築した宇宙学者の一人です。彼は後に、彼とイジャス、および物理学者のエイブラハム・ローブによる「Pop Goes the Universe」という記事で詳述されている理由により、この枠組みを否定しました。要約すると、最も単純なインフレーションモデルは、その中心的な予言がすべて失敗しました。そして、それ以降のモデルは非常に難解で柔軟なものになり、説明力をすべて失ってしまったのです。
スタインハートとイジャスのモデル
それに代わるものとして、スタインハートとイジャスはあるサイクリックモデルを開発しました。このモデルは、宇宙が連続的な一連のサイクルを経て永遠に膨張すると仮定しています。各サイクルには、膨張期、収縮期、そして収縮から膨張に宇宙が移行するバウンスがあります。膨張から収縮への宇宙の移行は、私たちの宇宙が埋め込まれていると仮定される高次元のブレーンの張力などの未知のメカニズムによります。バウンスは、2つのブレーンの衝突などの別のメカニズムの結果です。このバウンスは、宇宙が収縮して前回のバウンス後の元の体積に戻るよりもずっと前に起こるので、宇宙の体積は1サイクルごとに劇的に拡大します (図をご覧ください)。
このモデルは、サイクルごとに可視宇宙のエントロピー、一様性、等方性がリセットされることを保証するように構成されています。このリセットは、非常に特殊な性質を持って空間に充満していると仮定された場の結果です。バウンスによって場の値が変化すると、従来のインフレーションモデルと同様に、宇宙は一時的に非常に急速に膨張します。宇宙がインフレーションから脱却すると、場のエネルギーは再加熱と呼ばれる過程で通常の物質とエネルギーに変換されます。その後、宇宙は標準的なビッグバンモデルに従って膨張します。
収縮期は、インフレーション期よりもはるかにゆっくりになります。この違いの結果として、あるサイクルでの非常に小さな体積の空間が、次のサイクルでは可視宇宙全体になります。この小さな初期体積には、エントロピーの大部分が含まれるブラックホールが含まれていない可能性が高いとされます。その結果、ブラックホールは新しい可視宇宙の外側に存在するため、各サイクルは低エントロピー状態で始まります。
仮定
このモデルは、いくつかの新たなメカニズムに基づいています。ジャーナリストのチャーリー・ウッドはQuanta Magazineの記事「Big Bounce Simulations Challenge the Big Bang」で次のようにコメントしています。
この共同研究は、次にバウンスそのもの、つまり、すべてを再び引き離すために新たな相互作用を必要とする、より複雑な段階を具体化する予定である。イジャスは既に、物質と時空の間の新しい相互作用によって一般相対性理論をアップグレードするバウンス理論を持っており、彼女は他のメカニズムも存在するのではないかと考えている。
スタインハートは「The Endless Universe: A Brief Introduction」の中で、その根底にある物理学をさらに説明しています。
構成要素はよく知られているが、場の間の相互作用の記述は非常に複雑である。代わりに、超弦理論からブレーンや余剰次元のようなあまり馴染みのない構成要素を採用して、このモデルを記述することもできる。・・・このモデルは、宇宙を一様、等方、平坦にし、ほぼスケール不変な密度摂動スペクトルを作り出すメカニズムを導入しなければならない。
このモデルは以下も仮定しなければなりません。
- 必要な数学的形式のポテンシャルエネルギー密度を持つ場。
- 生命に都合の良い宇宙を可能にするため、インフレーションを適切な時期に脱却するように、エネルギー密度が適切な方法で減衰すること。
- 膨張の有力な原動力としてとどまらないように、エネルギー密度が十分に低い値に減衰すること。
- 再加熱を可能にするために、場が通常の物質およびエネルギー場と適切に結合すること。
- バウンスを引き起こし、場の位置エネルギーを増加させるメカニズム。
- 宇宙を膨張から収縮に移行させるメカニズム。
- 無限のエネルギー量を持つ、無限の過去にある無限に大きな宇宙。
始まりを回避するために
最後の仮定は、この仮説の宇宙が概して膨張しているので、ボーデ-グース-ビレンキンの定理が適用されるために必要になります。ペンローズのモデルと同様に、始まりを避ける唯一の方法は、無限大を仮定することです。この仮定は、エントロピーの連続的な増加に対応するためにも必要です。スタインハートとイジャスは、「Entropy, black holes, and the new cyclic universe」で次のようにコメントしています。
・・・無限の宇宙の限界には、際限のないエネルギーの貯蔵所および増大するエントロピーと増加する多数のブラックホールを収容する無限の体積が存在する。従って、エントロピー的な障害は存在しない。
ペンローズのモデルと同様に、スタインハートとイジャスのモデルも無限の宇宙という哲学的な問題に直面しており、多数の疑わしい仮定に頼らざるを得ません。宇宙を説明するモデルを構築しようとする彼らの努力は至極道理にかなっており、私は彼らの誠実さや力量を批判するつもりはありません。しかし、宇宙には始まりがあったという結論は、はるかに思考節約的で、証拠と一致しています。科学コミュニティの多くの人々がこの結論に抵抗する主な理由は、そのことの哲学的、神学的な示唆にあります。
