米国の科学誌「サイエンティフィック・アメリカン(Scientific American)」は2023年05月24日に、宇宙は膨張し、収縮した後に再びは膨張が始まるという考え方に、新たな研究結果が突き刺さると報告した。

宇宙はどのように始まったのか？ビッグバンで始まったのか、
それともバウンドがあったのか？
宇宙は膨張と崩壊を繰り返しながら、永遠に進化していくのだろうか。

研究者らは2つの論文で、いわゆるバウンシング・ユニバースに関するさまざまなモデルに穴を開け、私たちの周りにある宇宙はおそらく一度きりのものであることを示唆した。

ではどのように始まったのか？
ビッグバンで始まったのか、それともバウンドがあったのか？

宇宙は膨張と崩壊を繰り返しながら、永遠に進化していくのだろうか。

では、どの説が正しいのか？宇宙の歴史について最も広く受け入れられているのは、ビッグバンで始まり、その後、宇宙インフレーションと呼ばれる急激な膨張が続くという研究者らは2つの論文で、いわゆるバウンシング・ユニバースに関するさまざまなモデルに穴を開け、私たちの周りにある宇宙はおそらく一度きりのものであることを示唆した。

バウンシング・ユニバース(跳ね返り宇宙)」の提唱者は、私たちの宇宙は無から生じたのではないと主張している。

私たちが住んでいる宇宙は、無から発生したのではなく、その前にあった宇宙が小さくなり、再び大きくなってできたものだと主張する。この現象は一度だけかもしれないし、ある説によれば、無限に繰り返されるかもしれない。

では、どの説が正しいのか？

宇宙の歴史について最も広く受け入れられているのは、ビッグバンで始まり、その後、宇宙インフレーションと呼ばれる急激な膨張が続くというものである。

このモデルによれば、宇宙が熱く若かった頃の光は、CMB(cosmic microwave background/宇宙マイクロ波バックグラウンド)と呼ばれ、どの方向から見てもほとんど同じに見えるはずである。しかし、2009年から2013年にかけてCMBをマッピングした宇宙観測衛星プランクのデータは、マイクロ波放射に予想外の変動を示した。

これは、宇宙の温度に関する無意味な統計的変動かもしれないし、何か興味深いことが起こっている兆候かもしれない。
1つの可能性は、CMBの異常が、宇宙が無から発生したのではないことを示唆していることで、宇宙は無から発生したのではなく、以前の宇宙が崩壊し、それが跳ね返って現在のような空間と時間を作り出したと言うのである。

バウンス宇宙モデル(Bouncing universe models)は、このようなCMBのパターンを説明することができ、また、宇宙の起源と進化に関する標準的な記述に残る疑問点を説明することができr。特に、ビッグバン宇宙モデル(big bang model of the universe begins)では、まず特異点として、何もないところから出現し、宇宙のすべてのものの前身を含む非常に小さな領域から始まる。この特異点から宇宙が成長し、インフレーションを経て、現在のような緩やかに膨張する宇宙へと変化していったと考えられている。しかし、物理学や数学は、すべてのものが限りなく小さい一点に集約されると意味をなさないので、特異点は問題で、多くの物理学者は、特異点を避けることを望んでいる。

ドイツ哲学の基本では、無から有は生まれないという基本理念がある。

特異点を回避し、CMBの異常性を少しでも軽減するバウンスモデルの1つが、LQC(loop quantum cosmology/ループ量子宇宙論)と呼ばれるものである。このモデルは、ループ量子重力(loop quantum gravity)と呼ばれる古典物理学(classical physics)と量子力学(quantum mechanics)の間の橋渡しをするもので、重力は無限大に増大するのではなく、非常に小さな距離で小さくなることを仮定している。

ジュネーブ大学の宇宙学者ルース・デュラー(University of Geneva cosmologist Ruth Durrer)は、「ループ量子重力に触発された宇宙論モデルは、いくつかの問題を解決することができます」と言う。
ルース・デュラーは、バウンシング・ユニバースに関する2つの新しい研究のうちの1つを共著者としている。

この研究では、彼女と同僚は、このようなモデルが天文学的にどのような兆候を示しているかを探した。

LQCモデルでは、私たちの宇宙の前身は、重力の力で収縮し、非常にコンパクトになったかもしれない。
そして、やがて量子力学に支配される。
その結果、宇宙は特異点として崩壊することなく、再び膨張を始め、私たちの宇宙がそうであったと多くの宇宙学者が信じているように、インフレーションの段階を経たかもしれない。

ルイジアナ州立大学の物理学者イヴァン・アグーロ(physicist Ivan Agullo of Louisiana State University)は、「もしそうなら、宇宙に痕跡が残っているはずだ」と言う。アグーロ氏は、最近のどちらの解析にも参加していないが、その痕跡は、CMBデータの「バイスペクトル(bispectrum)」と呼ばれる特徴に現れるだろうと提案している。バイスペクトルは、CMBの画像には現れないが、古代のCMBマイクロ波の周波数を分析すると、現れるでしょう。

アグーロは、「もしこのスペクトルが観測されれば、『バン(bang)』ではなく『バウンス(bounce)』の存在を証明する決定的な証拠となる」と述べている。

アグーロのグループは、以前、宇宙のバウンスから40万年後に現れたと思われるバイスペクトルを計算した。しかし、現在のプランクCMBデータ(Planck CMB data)と比較したところ、バイスペクトルの痕跡を示す顕著な兆候は見られなかった。

他の多くのバウンス宇宙モデル(bouncing cosmos models)はまだ実行可能かもしれないが、有意なビスペクトラムが見つからなかったことは、LQCに依存してCMBの異常を扱うモデルを除外することができることを意味している。バウンス宇宙の具体的な証拠を見つけることに大きな期待を寄せていたアグーロにとっては、悲しい結果である。しかし、デュラーが共著した新しい分析に携わったポーランドのヤギェウォ大学の宇宙論博士候補であるパオラ・デルガド(Paola Delgado, a cosmology Ph.D. candidate at Jagiellonian University in Poland)は、1つの潜在的なプラス面があると言う。「『量子物理学と宇宙論を融合させる試み』は、検証できないと長い間聞いていました。」「私は、いくつかのクラスのモデルについて、まだ観測との接触があることを確認したことは、本当に良かったと思います。」とデルガドは言う。

プランクのデータからLQC駆動の宇宙バウンスの兆候を除外したことは、CMBの異常が説明できないままであることを意味する。しかし、さらに大きな宇宙の問題が残っている。 宇宙には始まりがあったのだろうか？ビッグバンの提唱者に言わせれば、「宇宙は始まったのです。」しかし、すべての始まりとなった特異点については、解明されていない。

あるいは、いわゆる循環型宇宙論の理論(cyclic cosmologies)によれば、宇宙は不滅であり、無限のバウンドを繰り返している。

バウンドする宇宙は1つ以上のサイクルを経験するかもしれないが、真にサイクリックな宇宙には始まりも終わりもない。

それは、無限の数のサイクルのために戻る一連のバウンスから成り、さらに無限の数のために続く。そして、そのような宇宙には始まりがないため、ビッグバンも特異点も存在しない。
デュラーとデルガドの共著であるこの研究は、不滅の周期的宇宙論を否定するものではない。プランクCMBのデータを見ても、「ビッグバン+インフレーション」モデルと区別するのが難しいか不可能な方法で、そのような跳ね返る宇宙を描写する理論はたくさんある。

しかし、バッファロー大学の物理学者ウィリアム・キニー(physicist William Kinney of the University at Buffalo)によると、永遠に循環する宇宙という考えには重大な欠陥が潜んでいる。
その欠陥とは、宇宙が跳ね返るときに蓄積されるエントロピーである。

エントロピーは、システム内の無秩序の量と考えられることも多いが、システムの有用なエネルギー量と関連しており、エントロピーが高いほど、利用できるエネルギーは少なくなる。

エントロピーが大きければ大きいほど、利用できるエネルギーは少なくる。

その場合、宇宙は以前の時代にはより多くの有用なエネルギーを持っていたことになる。そうすると、ビッグバン的な始まりは、エントロピーが限りなく小さく、その後バウンドを繰り返す宇宙であっても、エントロピーは限りなく小さくなる。

このシナリオがエネルギー保存の法則に反しないのはなぜかというと、利用可能なエネルギーについて話しているので、宇宙のエネルギーの総量は一定だが、有用な仕事をすることができる量は、エントロピーの増大とともに減少する。

新しい周期モデルは、宇宙が周期ごとに大きく膨張することを要求することで、この問題を回避している、とキニーは言う。この膨張によって宇宙は滑らかになり、エントロピーを散逸させてから再び崩壊するのである。

この説明でエントロピーの問題は解決したが、キニーとバッファロー大学の共同研究者であるニーナ・スタイン(University at Buffalo co-author Nina Stein)は、最近の論文で、この解決策自体は宇宙が不滅であることを保証していると計した。

キニーは、「私たちは、宇宙について何か基本的なことを証明したような気がします。このことは、ある時点でビッグバンが起こったことを意味し、たとえその出来事が何度も跳ね返った宇宙で起こったとしても、そのことは、最初にすべてが動き出すために特異点が必要だったことを示唆しています。」

キニーの論文は、循環型宇宙をめぐる議論の最新のものであるが、始まりも終わりもない宇宙を支持する人々は、科学文献の中でまだ反論していない。

循環型宇宙の有力な支持者であるプリンストン大学のポール・スタインハート(Paul Steinhardt of Princeton University)とニューヨーク大学のアンナ・イジャス(Anna Ijjas of New York University)の2人は、この記事へのコメントを拒否している。しかし、この議論の歴史から察するに、キニーの分析に対抗する回避策がもうすぐ発表されるかもしれない。

バウンスや他の周期的モデルを研究しているブラジル物理学研究センターの宇宙学者ネルソン・ピント-ネト(Cosmologist Nelson Pinto-Neto of the Brazilian Center for Physics Research)は、プランクのデータがループ量子宇宙論の下でバウンスを除外する可能性が高いことに同意しているが、彼は周期的宇宙の問題についてはより悲観的である。「存在は事実です。私たちは皆、今ここに存在している。非存在は、人間の心の抽象化です」とネルソンは言う。「これが、常に存在する(循環する)宇宙の方が、創造された宇宙よりも単純だと考える理由です。しかし、科学者である私は、どちらの可能性も受け入れなければなりません。」と言っている。

最近の宇宙学者や生物学者は、哲学まで無視し始めている。

例えば、生物学者は、死にかけると再生するベニクラゲを紹介してきた。

ベニクラゲの再生が永遠に続くとなると、全地球が破壊しても生きていることになり、最後に生き残る生物になるが、何年研究した結果なのかは、不明。

ベニクラゲが、地球を制覇するのですかね〜
人間の皮膚もどんどん再生されるが、人間が死ぬと再生できない。

しかし、それがいつまで続くのかは、明らかにしていない。

つまり、再生の劣化はないのかどうかもわからない。
それを確認するには、何年観測したら結論が出せるかもわからない。

永遠に再生できることもなさそうだ。

https://www.scientificamerican.com/article/the-universe-began-with-a-bang-not-a-bounce-new-studies-find/
https://www.scientificamerican.com/article/big-bang-or-big-bounce/
https://www.scientificamerican.com/article/big-bang-or-big-bounce/
https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.191002
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.066021
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.251301