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アルベルト・アインシュタイン (Albert Einsteinの重力理論(一般相対性理論)は、1世紀以上にわたって大きな成功を収めてきた。しかし、理論的な欠点もある。この理論は、ブラックホール内の時空特異点やビッグバンそのものが失敗することを予言しているのだ。

物理学における他の3つの基本的な力–電磁気学、強い核相互作用、弱い核相互作用–を説明する物理理論とは異なり、一般相対性理論は弱い重力でしか検証されていない。

一般相対性理論からの重力の逸脱は、宇宙のあらゆる場所で排除も検証もされていない。そして理論物理学者によれば、逸脱は必ず起こるという。

乖離と量子力学

アインシュタインによれば、我々の宇宙はビッグバンで誕生した。他の特異点はブラックホールの中に隠れている:そこでは空間と時間が意味を持たなくなり、エネルギー密度や圧力などの量が無限大になる。これらの現象は、アインシュタインの理論が破綻しており、より根本的な理論に置き換える必要があることを示している。

直観的には、時空間の特異点は、非常に小さなスケールで適用される量子力学によって解決されるはずである。

量子物理学は、2つの単純な考え方に依拠している。それは、点粒子は意味をなさないという考え方と、ハイゼンベルグの不確定性原理である。ハイゼンベルグの不確定性原理とは、例えば粒子の位置と速度など、ある一組の量の値を絶対的な精度で知ることはできないというものである。粒子は点としてではなく波として考えるべきで、小さなスケールでは物質の波として振る舞うからである。

一般相対性理論と量子物理学の両方を包含する理論には、このような病理がないはずだと理解するには十分である。しかし、一般相対性理論と量子物理学を融合させようとすると、必然的にアインシュタインの理論から逸脱することになる。

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1919年の皆既日食の写真 (Credit: Arthur Eddington/Philosophical Transactions of the Royal Society)

したがって、アインシュタインの重力が究極の重力理論であるはずがない。実際、アインシュタインが1915年に一般相対性理論を発表して間もなく、1919年の日食でこの理論を検証したことで知られるアーサー・エディントン (Sir Arthur Stanley Eddington)が、どう違うのか確かめるために代替案を探し始めた。

アインシュタインの理論は、水星の歳差運動から重力波の存在に至るまで、さまざまな結果を正確に予測し、今日に至るまであらゆるテストに耐えてきた。では、一般相対性理論からの逸脱はどこに隠れているのだろうか?

宇宙論の問題

100年にわたる研究の結果、Λ-コールド・ダークマター(ΛCDM)モデルとして知られる宇宙論の標準モデルが生まれた。ここでΛは、アインシュタインの有名な宇宙定数か、似たような性質を持つ神秘的なダークエネルギーのどちらかを表している。

ダークエネルギーは、宇宙膨張の加速を説明するために天文学者によってアドホックに導入された。最近まで宇宙論的データに非常によく適合していたにもかかわらず、ΛCDMモデルは理論的な観点から見ると、驚くほど不完全で満足のいくものではなかった。

過去5年間、ΛCDMモデルは観測的にも厳しい状況に直面してきた。宇宙の年齢と距離スケールを決定するハッブル定数は、初期宇宙では宇宙マイクロ波背景を、後期宇宙では超新星を標準的なろうそくとして測定することができる。

この2つの測定結果は相容れない。さらに重要なことは、ΛCDMモデルの主要な構成要素である暗黒エネルギー、暗黒物質、そして宇宙初期のインフレーション(銀河や銀河団の種となる、非常に速い膨張のごく短い期間)を駆動する場の性質が謎のままであることだ。

観測的見地から、修正重力の最も説得力のある動機は、1998年に発見されたIa型超新星による宇宙の加速である。一般相対性理論に基づくΛCDMモデルは、宇宙を貫く負圧を持つ極めてエキゾチックな暗黒エネルギーを仮定している。

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Ia型超新星は1998年に発見され、宇宙の加速度についてより多くのことを明らかにした。 (Credit: Sloan Digital Sky Survey/NASA)

問題は、このダークエネルギーには物理的な正当性がないことだ。様々なモデルが提案されているが、その性質は全く不明である。ダークエネルギーに代わるものとして提案されているのは宇宙定数Λであり、量子力学的な計算結果(しかし疑わしい)によれば、Λは巨大であるはずである。

しかし、Λは宇宙論的観測に適合させるためには、信じられないほど小さな値にファインチューニングされていなければならない。もしダークエネルギーが存在するならば、その性質について我々が無知であることは非常に問題である。

アインシュタイン理論の代替案

宇宙論的観測結果を一般相対性理論に当てはめようとすると、まるで小さすぎるズボンを履かせるように、問題が生じるのではないだろうか?一般相対性理論からの最初の逸脱を観測している一方で、謎の暗黒エネルギーは単に存在していないだけなのではないか?

ナポリ大学の研究者たちによって最初に提案されたこの考えは、ダークエネルギー論争が活発化する一方で、絶大な人気を博している。

なぜそう言えるのか?アインシュタイン重力からの逸脱は、太陽系実験、重力波の最近の観測、ブラックホールの近傍の画像によって制約されている。

一般相対性理論に代わる重力理論については、1923年のエディントンの初期の研究にまで遡る膨大な文献がある。一般相対性理論に代わる理論としてよく知られているのは、いわゆるスカラーテンソル重力である。この理論は、アインシュタインの幾何学的な重力記述に1つの追加要素(最も単純な、スピンのない粒子に対応するスカラー場)を導入するだけなので、概念的に非常に単純である。

しかし、このプログラムの結果は些細なものではない。顕著な現象は「カメレオン効果」であり、これらの理論は、高密度の環境(恒星や太陽系など)では一般相対性理論を装いながら、宇宙論という低密度の環境では一般相対性理論から大きく逸脱してしまうという事実である。

その結果、最初のタイプの系では、余分な(重力)場は事実上存在せず、カメレオンのように偽装し、最大の(宇宙論的)スケールでのみ感じられる。

現在の状況

今日、アインシュタイン重力に代わるもののスペクトルは劇的に広がっている。アインシュタイン重力に大質量スカラー励起(すなわちスピンゼロ粒子)を1つ加えるだけで、いくつかの既知の致命的な不安定性を回避するために、結果として得られる方程式を「単純」に保つことができる。

理論家たちは過去10年間、これらの理論から物理的な結果を導き出すことに費やしてきた。最近の重力波の検出は、アインシュタイン重力の修正を許容する物理的なクラスを制約する方法を提供した。

しかし、将来のマルチメッセンジャー天文学の進歩によって、重力が極めて強い一般相対性理論の修正が発見されることを期待して、まだ多くの研究が必要である。


本記事は、Valerio Faraoni氏とAndrea Giusti氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Why Einstein must be wrong: In search of the theory of gravity」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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