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現代物理は、ビッグバンの際、一体何が起こったのかを記述できておらず、量子論と相対性理論は、果てしなく密度が高く高温の原初の宇宙を描くことに、ほぼ失敗していると言ってよい。

最新の研究によると、これらの2つの基本的な柱(量子論と相対性理論)を統合する物理学である「量子重力理論」だけが、この宇宙がどのように始まったのかについての洞察を提供できるという。(※量子重力とは、重力の力を量子力学の法則にしたがって記述しようとする物理理論)

独・マックス・プランク重力物理研究所の研究者とカナダのペリメーター理論物理学研究所が量子重力理論に関する重要な発見をした。

彼らの理論によると、空間には小さな構成要素が存在するという。小さな構成要素からスタートすると、宇宙論の基本的な方程式の1つであり、宇宙を記述する「フリードマン方程式」にたどり着くというのだ。つまり、量子力学と相対性理論の統合が本当に可能だということを示しているわけである。

ほぼ1世紀もの間、これら2つの主要な物理学理論は共存してきたわけだが、アインシュタインの一般相対性理論がマクロな世界を記述する一方で、量子論は原子や素粒子の世界を記述しており、互いに相容れてこなかった。

両理論は、それぞれの境界内においては、ひじょうによく機能する。しかしながら、究極の領域であり、ひじょうに小さな距離である、いわゆる「プランクスケール(10のマイナス38乗)」となると、両理論は崩壊する。さらに、ブラックホール内、ましてや、ビッグバンにおいては、空間と時間はもはや意味を持たない。

アルバート・アインシュタイン研究所(AEI)のDaniele Oriti氏は、そのことを流体を使って説明している「わたしたちは、流れる水のふるまいを古典的で長年知られてきた流体力学の理論を使って説明できます。しかし、さらにスケールを小さく、さらに小さくすると個々の原子に行き当たります。すると、流体力学の理論を当てはめることはできなくなるのです。そこで、必要になるのが量子力学です」。

液体が原子から構成されているように、Oriti氏は、空間も小さな構成要素である細胞のような「空間の原子」とでもいえるものからできていると想像している。空間の原子を記述するには、「量子重力」が必要となる。

アインシュタインの相対性理論において空間は連続している。しかし、Oriti氏は、その空間を「空間の原子」まはた細胞と呼べるような基本的な構成要素にまでばらばらにし、量子物理学の法則に当てはめたのである。

量子重力へのアプローチにおいては、空間の原子から宇宙の次元の間にある巨大な次元スケールを埋めることが基本的な問題となる。

しかし、そここそ、Oriti氏とその同僚であるLorenzo SindoniおよびAEIの元博士後研究員で、現在ペリメーター研究所研究員であるSteffen Gielen氏が成功した点なのだ。

彼らのアプローチは、いわゆる「グループ・フィールド理論」に基づいている。これは、彼らがしばらくの間開発してきた「ループ量子重力」と密接な関係を持っている(※ループ量子重力理論とは: 時空(時間と空間)にそれ以上の分割不可能な最小単位が存在することを記述する理論。重力の古典論である一般相対性理論を量子化した量子重力理論の候補)。

次なる課題となるのは、宇宙が空間の原子と呼べるような基本的な単位から、どのように進化してきたかを記述することである。

流体のたとえに話を戻そう。果たして、原子に対応した理論から、流れる水の流体力学をどのように引き出すことができるのか?それは、ひじょうに困難な数学的作業だが、Orisi氏らは驚くべき成功を収めたのだ。

空間が原子のような構成要素から成り、それが膨張して今あるような宇宙のように進化するという特殊な仮定のもと「私たちは、初めて完全な空間構造を表す理論の一部として、直接フリードマン方程式を引き出すことができました」Orisi氏は話している。

膨張する宇宙を記述する基本的な方程式である「フリードマン方程式」は、ロシアの数学者アレクサンダー・フリードマンが1920年に一般相対性理論に基づいて導きだしたものだ。それが今日になって、やっとミクロとマクロの世界の間、つまり一般相対性理論と量子論との間にあるギャップが埋まったことになる。

Orsti氏らによる研究では、「空間の原子」(または細胞)とも言えるものが縮合物となって、わたしたちの住む宇宙と似た宇宙に発展することが示されたという。

Orti氏らは自身について、困難ながら前途有望なスタート地点に立っていると考えている。というのも、彼らの導き出した答えは、均一な宇宙にしかあてはまらない。実際の宇宙は、均一どころか、惑星や星、銀河などが存在しており、もっと複雑だ。そこで、研究グループでは、それらを考慮に入れた研究にすでに着手しているからだ。

一方で、また彼らは、ビッグバン時の空間も記述できるかについて研究したいと考えている。

数年前、元AEIの研究者Martin Bojowaldが、(ビッグバン時まで時空をさかのぼれる)「ループ量子重力論」の単純化バージョンの一部の証拠を発見している。Oriti氏らは、彼らの研究成果と合わせることで、その成果を確認または発展させたい意向だ。

もしも、それが成功し理論が確立されれば、ビッグバン直後の宇宙のインフレーション膨張や、なぞに満ちたダークエネルギーの性質を理解するのに役立つことだろう。

Sindoni氏は、「量子重力論と手に入れたとき、宇宙の進化について本当に理解できるようになるでしょう」と話す。

NEWS SOURCE: MAX PLANK GESELLSCHAFT - "Quantum steps towards the Big Bang"
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宇宙論研究者たちは、ビッグバン以前に起きたプロセスについて、真剣に考え始めている。カナダ・ダルハウジー大学のAlan Coley氏と英・ロンドンのクイーン・メアリー大学のBernard Carr氏は、ビッグバン以前のビッグクランチ中に原始的なブラックホールが形成されたという理論をたてた。ビッグクランチとは、宇宙が自身の重力によって収縮し、すべての物質と時空がつぶれて、無次元の特異点に収束することをいう。

注目すべきは、両氏が、この宇宙がなんども一点に凝縮しては、また膨らむことを繰り返しており、ビッグバンが単独の現象ではないという理論を支持している点だ。

彼らによると、ある種の環境が整うと、10万tから太陽程度の質量を持つブラックホールはクランチが起きても、切り離された存在として存続し続けられるいう。ちなみに、ブラックホールはその質量によって分類されており、太陽の数十倍程度の質量を上限とする「低質量ブラックホール」と、太陽の数百万~数百億倍の質量を持つ「大質量ブラックホール」、そして両者の中間の質量を持つ「中間質量ブラックホール」が知られている。

両氏の理論は、地球を含めこの宇宙全体で正体不明のガンマ線バーストが発生していることに基づいており、ガンマ線バーストは、原始ブラックホールがエネルギーを使い果たし、崩壊した結果起きているのだという。小さなブラックホールは短時間に蒸発する運命にあり、最後にはガンマ線を伴う激しい爆発を起こして消えてしまう。宇宙論研究者の中には、私たちが現在観測しているガンマ線バーストをこれで説明できるかもしれないと考えるものもいる。ガンマ線バーストとは、数十秒程度の短い時間、ガンマ線(数百キロ電子ボルトの電磁波)が宇宙から降り注いでくる宇宙最大の爆発現象である。

話しを原始ブラックホールの生成に戻そう。一般に研究者の間では、原始ブラックホールとは、いわゆる普通の(大質量の恒星が超新星爆発したのち、自己重力によって極限まで収縮することによってできる)ブラックホールとは異なると考えられており、ビッグバン直後の最初の瞬間に形成されたと考えられている。原始ブラックホールは、普通のブラックホールより小さく、ビッグバンのエネルギーで形成され、宇宙が膨らむにつれてあちこちに広く散らばったという。

しかし、Coley氏とCarr氏の理論では、ビッグクランチがおきてこの宇宙が崩壊した際にいくつかのブラックホールがつくられたの可能性があるというのだ。そして、ブラックホールはすべてを包含する特異点からのがれた。そして、ビッグバン後は、新たにつくられた他のブラックホールと同化してしまったらしい。

ただし、この考え方には彼らも認める問題点がある。ビッグバン以前に存在していたブラックホールとそれ以降に形成された原始ブラックホールとの違いを指摘できないのである。

また、彼らの理論は宇宙論研究者に大きな問題を投げかける。もし、宇宙が縮み、再び膨れ上がるなら、そしてそれが繰り返されるのなら、それが永遠に続くのか。それとも、わたしたちが見ている宇宙というものがとても限られたもので、ほんの一部しか見ていなかったとしたら、、、。これまでの多くの理論や説明が単なる推測以外の何ものでもないものとなってしまうのだ。

NEWS RELEASE SOURCE: "Some Black Holes Existed Prior to the Big Bang" (Today's Most Popular) - THE DAILY GALAXY ⇒ http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2012/07/some-black-holes-existed-prior-to-the-big-bang-were-assimilated-into-newly-formed-universe-todays-mo.html
ジュネーブ郊外に建設された欧州原子核研究機構(CERN)の大型ハドロン衝突型加速器(LHC)による衝突実験で、「ヒッグス粒子」と見られる粒子が観測されたことは、過日大々的に報道された。

神の粒子と呼ばれる「ヒッグス粒子」と見られる粒子の発見は、ダークマターを含めた、宇宙のなぞ解明という新時代へ扉を開くこととなりそうだ。今回の発見によって、相当重量のあるものが打ち上げられるようにとなったり、将来は光速旅行が可能となるかもしれないのだと、今回の発表に対する科学者の歓迎ぶりは相当なものだ。

長年その存在が推測されてきたが検出が困難だったヒッグス粒子は、なぜ物質に質量があるのかを説明するための手立てとなると考えられてきた。しかし、CERNの科学者Albert de Roeck 氏は、電気の発見になぞらえて、将来どんなことに利用されるかなど、人類には想像つかないと話す。


またde Roeck氏は「ビッグバンから最初の数百万分の1秒のころ、この世界がどのようなものであったのかを説明できるかもしれないという点で、ヒッグス粒子は重要なのです。どんなことに利用できるかなど、現時点でのわたしの想像があまりにとぼしすぎて答えられません」 とAFPに話したという。

一方、物理学者のRay Volkas 氏は、「ほとんどの人間が、いわゆる物理学の標準モデル、つまり、宇宙においてどのようにして物質が互いにむすびついているのかを説明する理論ににあてはめるよりも、もっとなにか別の事象を証明することにヒッグスボソンが役立つことを期待しているのです。たとえば、まったく新しい物理、つまりそれはダークマターと関連のある物理かもしれません、ダークマターはこの宇宙のほとんどを構成する目に見えない未だ仮想の物質です。たとえば、ヒッグス粒子は、原子を構成したり、ダークマターをも構成する橋のような役割をしているかもしれないのです」と話した。

さらにDe Roeck氏は「普通の原子だけでなく、この宇宙における、すべての物質を理解するというのは、たいへんな示唆に富んでいます」と話す。

なお、LHCは、今年12月から2年間の稼動停止に入る。そして、その後の火力量は、現在の2倍にあたる14兆電子ボルトとなる予定だ。 LHCがより性能を増す2015年には、より豊富なデータが得られ、標準モデルに対する決定的な答えが得られるはずである。また、新たな粒子の研究への大きなステップとなる。



NEWS RELEASE SOURCE: "Higgs Boson Will Unlock Great Mysteries of the Universe" - Era of New Physics Looming (Weekend Feature) - from The Daily Galaxy via 2012 AFP ⇒ http://bit.ly/PvQbHu

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