ビッグバンはない?宇宙には始まりがないことを量子方程式が予言。
Phys.org) -「アインシュタインの一般相対性理論を補完する量子補正項を適用した新しいモデルによれば、宇宙は永遠に存在していた可能性があります。このモデルは、暗黒物質と暗黒エネルギーも説明できる可能性があり、複数の問題を一度に解決することができます。
一般相対性理論で推定される宇宙の年齢は、138億年と広く知られている。宇宙の始まりは、すべてのものが無限に密集した一点、つまり特異点であったと考えられている。この点がビッグバンによって膨張し始めたとき、初めて宇宙が正式に始まったとされる。
ビッグバンの特異点は、一般相対性理論の数学から直接かつ不可避的に生じるが、その数学は特異点の直後ではなく、特異点の前後に起こったことだけを説明できるため、問題視する科学者もいる。
「ビッグバンの特異点は、物理法則がそこで破綻しているように見えるため、一般相対性理論の最も深刻な問題です」と、エジプトのベンハ大学とゼワイル科学技術都市のアーメド・ファラグ・アリ氏は Phys.org に語っています。
カナダのアルバータ州にあるレスブリッジ大学のアリと共著者のサウリア・ダスは、ビッグバンの特異点が、宇宙に始まりも終わりもないという彼らの新しいモデルによって解決できることを、『フィジックス・レターズB』に発表した論文で明らかにしました。
古い考え方が見直される
物理学者たちは、この量子補正項は、ビッグバンの特異点を特に排除しようとして、その場しのぎで適用されたものではないことを強調している。この研究は、物理学哲学への貢献でも知られる理論物理学者David Bohmのアイデアに基づいている。ボームは1950年代から、古典的な測地線(曲面上の2点間の最短経路)を量子的な軌道に置き換えることを研究していた。
アリとダスはこの論文の中で、インドのコルカタにあるプレジデンシー大学の物理学者アマル・クマール・レイチャウドゥリが1950年代に開発した方程式に、このボーム的軌道を適用した。レイチャウドゥリは、ダスが90年代に同大学の学部生だったときの恩師でもある。
アリとダスは、量子補正したRaychaudhuri方程式を用いて、一般相対性理論の文脈の中で宇宙の膨張と進化(ビッグバンを含む)を記述する、量子補正したFriedmann方程式を導出した。このモデルは真の量子重力理論ではありませんが、量子論と一般相対論の両方の要素を含んでいます。また、アリとダスは、量子重力の完全な理論が定式化されたとしても、この結果は維持されると考えている。
特異点なし、暗黒物質なし
ビッグバンの特異点を予言しないだけでなく、新しいモデルは「ビッグクランチ」の特異点も予言しない。一般相対性理論では、宇宙が収縮を始め、ビッグクランチによって自ら崩壊し、再び無限に密な点となることが運命の一つとされている。
アリとダスは論文の中で、古典的な測地線とボーミアン軌道の重要な違いから、このモデルが特異点を回避できると説明している。古典的な測地線は最終的に互いに交差し、収束する地点が特異点となる。一方、ボーミアン軌道は決して交差しないので、方程式に特異点は現れない。
宇宙論的には、量子補正は宇宙定数項(ダークエネルギーは不要)と放射項として考えることができるという。これらの項によって、宇宙の大きさが有限であることが保たれ、その結果、宇宙の年齢が無限となるのです。また、この項は、現在観測されている宇宙定数や宇宙の密度とよく一致する予測をしている。
新重力粒子
このモデルは、物理学的に言えば、宇宙が量子流体で満たされていると表現するものである。この流体は、重力を媒介する仮説的な無質量粒子である重力子で構成されている可能性があるという。もし重力子が存在すれば、量子重力の理論において重要な役割を果たすと考えられている。
関連する論文では、ダスともう一人の共同研究者であるカナダ・マクマスター大学のラジャット・バドゥーリが、このモデルの信憑性をさらに高めている。彼らは、重力子がボース-アインシュタイン凝縮(アインシュタインとインドの物理学者サテンドラナート・ボースにちなんで名付けられた)を、すべての時代に宇宙に存在した温度で形成できることを示した。
このモデルは、ビッグバンの特異点を解決し、暗黒物質と暗黒エネルギーを説明できる可能性があるため、物理学者たちは今後、このモデルをより厳密に解析する予定です。将来的には、小さな非一様性や異方性の摂動を考慮しながら研究をやり直すことも検討されていますが、小さな摂動が結果に大きな影響を与えることはないと考えられています。
"このような素直な修正が、多くの問題を一度に解決できる可能性があることに、ダスは満足している" と述べています。