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平行宇宙(パラレルユニバース)」”からなる「多元宇宙(マルチバース)」という考え方は、SFの定番であり、最近ではアカデミー賞受賞映画『Everything Everywhere All At Once』で取り上げられた。しかし、これは科学的な可能性の範囲内である。

多元宇宙の存在(あるいは存在しないこと)は、物理学の基本法則の現在の理解の結果であり、SF小説の読みすぎで気まぐれな物理学者が思いついたものではないことを、最初から述べておく必要がある。

多元宇宙には、さまざまなバージョンがある。最初の、そしておそらく最も一般的な説は、原子や粒子の世界を支配する量子力学から生まれたものだ。量子力学では、ある粒子が同時に多くの可能な状態にあることを示唆している。ある解釈によれば、私たちが測定しなかった量子の可能性は、すべて別の宇宙で実現されていることになる。

永遠のインフレーション

もう一つは、宇宙膨張の結果として生じる「宇宙論的多元宇宙」である。1981年、物理学者Alan Guthは、現在の宇宙がどこでもほぼ同じように見えるという事実を説明するために、初期の宇宙が加速度的に膨張した時期があったことを提唱した。このインフレーションの期間中、空間は引き伸ばされ、2点間の距離は光速よりも速く押し広げられるようになった。

また、インフレーション理論では、星や銀河などの宇宙構造物に成長する原始的な種子の存在を予測していた。2003年、ビッグバン後の光である宇宙マイクロ波背景の微小な温度ゆらぎを観測することで、この現象は見事に発見された。その後、宇宙実験「WMAP」や「プランク」によって、精密に測定された。

Inflation Universe
インフレーション期を経た宇宙膨張の概念図。図の左端に時空の計量の劇的な膨張が描かれている(2006年のWMAPのプレスリリースより翻訳)

この顕著な成功により、宇宙インフレーションは、現在、ほとんどの宇宙学者が初期宇宙のデファクト理論として考えている。

しかし、宇宙膨張の結果、(おそらく意図しない)あることが判明した。インフレーションでは、空間が非常に大きなスケールで引き伸ばされ、平滑化される。しかし、宇宙のインフレーションはある時点で終了しなければならず、そうでなければ、私たちの宇宙は現在のように進化することは出来なかっただろう。

しかし、物理学者はすぐに、「もし本当にインフレーションが起こるのであれば、時空のある領域は、他の領域でインフレーションが終わっても、インフレーションを続けることになる」と気付いた。膨張し続ける領域は、別の膨張する宇宙と考えることができる。このプロセスは無限に続き、膨張する宇宙がさらに膨張する宇宙を生み出し、宇宙の多元的な世界を作り上げる。

この現象は「永久インフレーション」と呼ばれている。1983年に物理学者のPaul SteinhardtとAlex Vilenkinによって初めて記述された「永久インフレーション」は、21世紀初頭まで宇宙のインフレーションの不思議な産物として残っていた。そして、弦理論からのアイデアと組み合わされて、なぜ我々の物理法則が今日のようなものであるかを説明する論争的であるが説得力のある説明を生み出すことになった。

弦理論はまだ証明されていないが、量子力学と重力を統合した万物の理論として、現在のところ最も有望視されている。しかし、物理的に現実的な弦理論では、10以上の次元(通常の3つの空間次元と時間ではなく)を持つ必要があります。したがって、現在の宇宙を記述するためには、これらの次元のうち6つ以上が「コンパクト化」され、見えないように丸まっている必要がある。

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ホースは3Dだが、遠目には1次元の線に見えることもあり、寸法がコンパクトになったように見える。

そのための数学的手順は知られている。このプロセスの問題点(特徴とも言える)は、このコンパクト化の方法が少なくとも10,500通りあることだ。この気が遠くなるような巨大な可能性の集合を「弦の風景(ストリングランドスケープ)」と呼ぶ。それぞれのコンパクト化によって、異なる物理法則のセットが得られ、異なる宇宙に対応する可能性がある。このことから、2つの重要な疑問が生まれる。「弦の風景の中で、我々はどこにいるのか?」

多元宇宙の各膨張宇宙は、弦の風景における異なる点を実現しているため、ありとあらゆる物理法則が多元宇宙のどこかに存在することができるのだ。しかし、なぜ私たちの宇宙は、私たちのような知的生命体を生み出すのにこれほど優れているのだろうか?統計的に言って、ある宇宙は我々のようなものであるはずだ。そして、我々が住んでいるのは、我々が観測する物理法則が存在する宇宙だ。

しかし、この見解は非常に論議を呼んでいる。科学的な議論ではないとの意見も多く、集中的な調査に拍車をかけている。

テスタビリティ

多元的宇宙の明らかな課題は、その観測可能性だ。仮に多元宇宙が存在するとして、他の宇宙を観測することは原理的に可能なのだろうか?量子的な多元宇宙では、答えは「ノー」だ。しかし、インフレーション多元宇宙では、答えは「はい、運が良ければ」だ。

異なる宇宙は同じ物理空間を占めているため、原理的には隣り合う宇宙同士が衝突し、私たちの観測可能な宇宙に遺物や痕跡を残す可能性がある。ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのHiranya Peiris氏とペリメーター研究所のMatthew Johnson氏が率いる共同研究チームは、このような衝突が宇宙マイクロ波背景(ビッグバンから残された光)に痕跡を残すはずで、それを探索することができることを示したが、今のところこの痕跡は発見されていない。

次の課題は、理論的なものだ。一部の理論家は、ひも理論に登場するほとんどの宇宙は、実は数学的に矛盾しており、我々の宇宙と同じように存在することはできない、と指摘している。特に、宇宙のインフレーションを可能にするような弦理論の解を見つけるのは難しいようだ。

超ひも理論家と宇宙論者の間では、超ひも理論が原理的にでもインフレーションを記述できるかどうかについて、深い意見の相違がある。この難問は、悩ましいと同時に刺激的でもある。2つの考え方のうちどちらかが間違っていることを示唆しており、どちらかが理論物理学の革命につながるだろうからである。

最後に、宇宙インフレーションの前提そのものが、今、問われている。宇宙インフレーションの存在意義は、初期の宇宙がどのような姿であったとしても、インフレーションによって宇宙がダイナミックに駆動され、現在のような滑らかな宇宙が実現するというものだ。しかし、そもそも宇宙インフレーションが起こるかどうかについては、これまで厳密な調査が行われてこなかった。

これは、プロセスの始まりを記述する方程式が複雑すぎて、解析的に解くことができないからだ。しかし、この疑問は現在、ロンドン大学キングス・カレッジの私の研究グループを含む世界中のいくつかの研究グループによって厳密に検証されており、現代の高性能コンピューティングの力を発揮して、以前は難解だったこの方程式を解いている。


本記事は、Eugene Lim氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「The multiverse: how we’re tackling the challenges facing the theory」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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