宇宙はなぜ膨張するのか？

宇宙はなぜ膨張するのか？ 500年前、ニコラウス・コペルニクスは、地球が宇宙の中心であるというよりは、太陽の周りを公転するいくつかの惑星の一つである可能性を提唱しました。彼は地動説モデルを、3世紀後にメアリー・シェリーが『フランケンシュタイン』で生み出した生き物のように、異なる体の部分から組み立てられた恐ろしいものと比較しました。それぞれの部分は単独では人間のように見えますが、全体としてはグロテスクな継ぎはぎでした。地動説モデルは、惑星が背景の星々に対して一時停止し、逆行してループする場所で、惑星が地球の周りの軌道で一時停止し、しばらく逆行してから通常のコースを再開するように、ダイヤルが追加されました。 対照的に、コペルニクスは、外惑星（当時知られていた火星、木星、土星）が、私たちが太陽の周りを回る際に近くを通り過ぎ、追い越すにつれて、背景の星々に対する見かけの位置がシフトする視差のために、逆行ループに入る可能性があることを認識しました。コペルニクスは、アイザック・ニュートンやアルバート・アインシュタインが最終的に惑星の運動を説明するために使用する物理学については何も知りませんでした。また、リンゴが木から落ちるのと同じ現象や、太陽の周りを光が曲がる経路を引き起こすのと同じ現象からこの運動が生じるとは想像もしていませんでした。彼のモデルは、楕円ではなく円を使用して軌道を記述したため、地動説システムと同じくらい多くのノブとダイヤルを持っていました。それにもかかわらず、コペルニクスは、太陽中心説が、惑星の運動が常に一方向のみであるにもかかわらず、なぜ逆行運動のような現象が私たちの目に映るのかを最終的に説明できる可能性を提供することに気づきました。そしてそうすることで、彼は後にニュートンやアインシュタインのように、観測されるすべての複雑さを持つ惑星運動が期待される太陽系についての根本的な概念と正式な数学的記述を肉付けした人々の道を切り開きました。 hindsight（後知恵）で言えば、コペルニクスの提案が促した発見は、壊れた対称性—太陽の周りを公転する惑星からの私たちのオフセンターな視点、そして私たちのものを含むすべての惑星の不均一な運動—が、それでもより単純な存在論的枠組み内での外観を複雑にするということでした。 同様の感覚で、今日の標準宇宙論モデル—現象を正確に記述しますが、それでも、それ以外の場合は異なるはずの宇宙の進化を不自然に強制するために挿入された、場当たり的なパッチの集合体である—は、ニュートンとアインシュタインによる惑星運動の単純な説明よりも、フランケンシュタインの怪物により近い類似性を持っていると主張できるかもしれません。 なぜなら、標準モデルが観測される外観に直接一致するように多くのダイヤルとノブが追加されているにもかかわらず、1世紀の開発の後でも、私たちの宇宙がなぜ膨張すると予想されるのかについての説明を依然として提供していないからです。 なぜ私たちの宇宙は膨張するのでしょうか？ コペルニクスの伝統に従えば、私たちの宇宙がなぜ膨張するのかを問うべきです。標準宇宙論モデルは、そのような説明を提供しません。それは、アインシュタインと彼の同僚ウィレム・デ・ジッターが提唱した、宇宙は減速する傾向があるにもかかわらず、私たちが目にするすべてのもので満たされていると特徴づける原理に基づいています。これは重要です：宇宙膨張を記述するための基本的なアインシュタイン・デ・ジッターの枠組みによれば、宇宙全体に広がるすべての銀河と光は、宇宙の膨張に逆らい、それを遅くすると考えられています。そして、膨張を駆動するものは何であれ、ベースモデルが自然に期待されるよりも外観によく適合するように追加された場当たり的なダイヤルです。 実際、光と物質が宇宙膨張を遅くするこの傾向は、ビッグバンで数学的に無限量に爆発します。したがって、モデルが今日私たちの宇宙が実際に膨張している「説明」を持っている唯一の理由は、それが非常に巨大な速度で始まったため、その勢いが自然な逆方向への傾向に逆らってそれを運んだということです。この理由から、1世紀前、イギリスの天文学者アーサー・スタンレー・エディントンは、20世紀の宇宙論を支配することになるアインシュタイン・デ・ジッターモデルについて、「可能性を否定することはできないが、そのような理論がどのような精神的な満足感を与える supposed to be かは理解しがたい」と不平を述べました。 プトレマイオスの前身モデルと同様に、このモデルはその後、データに印象的な精度で適合させるためのさまざまな機能が追加されました。まず、ビッグバン直後に起こったとされるインフレーション時代があり、それは指数関数的な膨張の短い期間を駆動し、アインシュタイン・デ・ジッターモデルがそうでなければ未解決のまま残すいくつかの緊張を解消すると考えられています—ただし、初期の膨張問題は未解決のままです。次に、宇宙は長い間減速したと考えられており、その減速率は初期宇宙の放射、その後は物質によって主に駆動され、アインシュタイン・デ・ジッターと良好に一致しています。最後に、数十億年後、ダークエネルギーと呼ばれるようになった成分が、膨張を駆動する傾向があるため、十分な大きさになり、膨張率がついに加速し始めたと考えられています。 プトレマイオスのモデルと比較すると、インフレーションとダークエネルギーの両方は、離心円と赤道儀に似ています。これらは、私たちが直接観測する物質で満たされた宇宙に追加された後からのパッチであり、これらのパッチなしでは、より基本的な物理学が宇宙が観測されるように進化しないことを示唆しているにもかかわらず、私たちが観測する宇宙を記述することを可能にします。裸のアインシュタイン・デ・ジッター宇宙は、光の有限速度のため、私たちが今見ている時間と相互作用できなかった空の異なる領域で同じように見えるべきではありません。そして、そのような宇宙は、私たちの宇宙のように空間的に平坦であるべきではありません。インフレーションは、これら両方の問題を解決するために使用されるダイヤルです。 アインシュタイン・デ・ジッター宇宙は、観測されたように加速膨張することさえ決してありません—ましてや最初に膨張を開始することさえありません。ダークエネルギーは前者の問題を解決しますが、その効果はビッグバンではゼロであり、数億年かけて徐々に重要になるため、宇宙が最初に膨張を開始した理由を説明できません。そして、インフレーションは、すでに存在する、膨張している宇宙内でしか起こり得ないため、それを主な原因として呼び出すことはトートロジー（同語反復）になります。 最近では、ダークエネルギーのパッチに2つの別々の亀裂が開きました。初期宇宙から測定された膨張率と後期宇宙から測定された膨張率との間に、宇宙定数では解決できない、持続的で増大する緊張があります。そして独立して、大規模な銀河クラスターと超新星の調査は、安定したままであるよりも、時間とともに弱まるダークエネルギーを支持していると読まれています。そのため、天文学者は進化するダークエネルギーモデルを提案し、そもそも説明されなかった反発源に進化ダイヤルを追加しています。 場当たり的なパッチが、その現象を根本的に嫌うモデルを一致させる前に、それ自身の場当たり的なパッチを必要とする場合、それはベースモデルが間違っているという強い兆候であるはずです。 対称性の破れと物理学 標準宇宙論モデルが、証拠を調和させ、私たちが生きているように見える世界の理由を提供するという問題に直面していることを考えると—私たちが観測する現象論的に正確な記述を回復するために、ますます多くのノブとダイヤルが追加されているにもかかわらず、根本的には異なるはずの宇宙—私たちはコペルニクスから教訓を得て、どの対称性が基本的であると仮定しているのか、そして私たちの現実は実際には本質的に破れている可能性があるのかを問うべきです。 私たちが目にしている外観が、世界を直接表しているのではなく、宇宙における私たちの場所が中心ではないため、私たちの視点が部分的に壊れた対称性に起因しているためにそのように見えるだけなのかもしれないと問うべきです。これは無益な憶測ではありません。本質的に、物理学は...