小宇宙問題

宇宙は広い、とダグラス・アダムスは言います。

私たちが見ることができる最も遠い光は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) で、私たちに届くまでに 130 億年以上かかりました。 これは観測可能な宇宙の端を示しており、これは宇宙の直径が 260 億光年であることを意味すると思うかもしれませんが、宇宙膨張のおかげで、現在では直径が 460 億光年に近づいています。 どう考えても、これは非常に大きなことです。 しかし、ほとんどの宇宙学者は、宇宙は観測できる角度よりもはるかに大きいと信じています。 私たちが目にしているのは、想像を絶する広大な宇宙のほんの一部であり、 創造が無限でないなら。 しかし、新しい研究は、観測可能な宇宙が存在するもののほとんどすべてであることを示唆しています。

つまり、宇宙レベルで見ると、宇宙はとても小さいのです。

宇宙学者が宇宙が大きいと信じる理由はいくつかあります。 1つ目は銀河団の分布です。 もし宇宙が私たちが見ている範囲を超えて広がっていなかったら、より遠くにある銀河は私たちの宇宙の領域に向かう重力を感じますが、私たちから離れることはなく、非対称な銀河団が形成されるでしょう。 なぜなら、銀河は観測可能な宇宙全体でほぼ同じスケールで集まっているからです。 言い換えれば、観測可能な宇宙は均一かつ等方性です。

2つ目のポイントは、 時空は平らだ。 もし時空が平らでなかったら、私たちの遠方の銀河の見方は歪んで、実際よりもずっと大きく見えたり、小さく見えたりするでしょう。 遠方の銀河は宇宙の膨張によりわずかに大きく見えますが、時空の全体的な湾曲を示唆するものではありません。 私たちの観測の限界に基づくと、宇宙が平坦であるということは、宇宙が観測可能な宇宙の少なくとも 400 倍大きいことを意味します。

さらに、宇宙マイクロ波背景放射はほぼ完全な黒体であるという事実もあります。 温度にはわずかな変動がありますが、必要以上に均一です。 これを説明するために、天文学者たちは、初期宇宙インフレーションとして知られる、ビッグバン直後の大規模な膨張期間を提案しました。 これに関する直接的な証拠は観察されていませんが、このモデルは多くの宇宙論的問題を解決し、広く受け入れられています。 モデルが正確であれば、宇宙は 10 位にランクされます²⁶ 観測可能な宇宙の何倍も大きい。

それでは、これらすべての理論的および観測的証拠を考慮して、宇宙が小さいとどうやって主張できるのでしょうか? 超弦理論と沼地の話です。

ひも理論は物理理論として提示されることが多いですが、実際には数学的手法の集合です。 複雑な物理モデルの開発に使用できますが、それ自体が単なる数学である場合もあります。 ひも理論の数学を物理モデルに結び付ける際の問題の 1 つは、その影響が最も極端な状況でのみ見られること、および異なるモデルを除外するのに十分な観察データがないことです。 ただし、弦理論の一部のモデルは他のモデルよりも有望であるように見えます。 たとえば、一部のモデルは量子重力と互換性がありますが、他のモデルは互換性がありません。 多くの場合、理論家は見込みのない理論の「沼地」を特定します。

有望な理論上の土地を沼地から切り離すと、残るのは、初期の宇宙インフレーションが選択肢にない理論だけです。 インフレーションひも理論のほとんどのモデルは沼地に存在します。 このことから、初期のインフレーションを行わずに観測と矛盾しない宇宙論モデルを構築できるかどうかという疑問が生じます。 そこでこの新しい研究が始まります。

初期の宇宙インフレーションを回避する方法の 1 つは、高次元の構造に注目することです。 古典的な一般相対性理論は、4 つの物理次元、つまり 3 つの空間と 1 つの時間、つまり 3+1 に基づいています。 数学的には、グローバル構造を効率的な 3+1 構造に結合できる 3+2 または 4+1 の宇宙を想像できます。 これは一般相対性理論の標準構造に限定されないため、弦理論では一般的なアプローチです。 著者らは、適切な条件下では、観察と一致し、泥沼を避けることができる、超弦理論内で高次元の構造を作成できることを示しています。 彼らのゲーム モデルに基づくと、宇宙は観測可能な宇宙の 100 倍か 1000 倍にしかならない可能性があります。 まだ大きいですが、初期のインフレモデルと比較するとかなり小さいです。

これはすべて単なる推測ですが、ある意味、これは初期の宇宙のインフレーションに当てはまります。 初期の宇宙インフレーションが真実であれば、かなり近い将来に重力波を通じてその影響を観察できるはずです。 それがうまくいかない場合は、理論的な泥沼から私たちを遠ざける弦理論のモデルをもっと詳しく調べる価値があるかもしれません。

参照： ライナーズ、ジャン＝リュックとクエンティン、ジェローム。 」小さな宇宙」。 arXiv プレプリント arXiv:2309.03272 (2023)