「インフレーション理論」ビッグバンをわかりやすくした宇宙論

ビッグバン理論の問題点
- 一様性問題
- 平坦性問題
4つの力の統一理論
- 真空の相転移
- モノポールが見つからない宇宙
インフレーション宇宙論とは何か
インフレーションモデルの利点
無から生じた真空エネルギー。ダークエネルギーか
第二のインフレーション

ビッグバン理論の問題点

　ジョージ・ガモフ、ラルフ・アルファー、ロバート・ハーマンらによって、1940年代に予言されたビッグバンの遺産である『宇宙背景放射（cosmic background radiation）』。

　1964年。
アメリカ合衆国のベル電話研究所のアーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンが、アンテナの雑音を減らす研究中に偶然に発見したそれは、ビッグバン理論の大きな勝利だった。
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　しかしながら、この理論には明らかな欠点もいくつかあった。
そもそもビッグバン理論が正しいなら、宇宙はおそらく『特異点（singular point）』から始まった事にかるが、そんなもの自体、我々には想像も出来ない。
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一様性問題

　現在の宇宙の、このあちこちに星が密集した銀河というような構造が、いかにして作られたかを説明するのも難しい。
そして遠く離れ、因果関係をあまり持たないはずの、それらの銀河が似通った構造なのはなぜかも、かつてのビッグバン理論では説明が難しい。

　これは『一様性問題（Uniformity problem）』と言われる。
昔からよく言われる。
なぜ宇宙はどこもかしこも似かよってるのか、という問題である。

　むしろ昔から、こんなちっぽけな星から確認できるだけの領域しか知らないのに、我々は何を知っているつもりなのか。
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平坦性問題

　宇宙の膨張速度をグラフ化したとして、その曲率はかなりの精度で0でないと、この宇宙にはならないとされる。
仮に曲率が小さすぎる（膨張速度が遅い）と、宇宙はさっさと潰れ、逆に曲率が大きすぎる（膨張速度が速い）と、宇宙内部の物質の距離が、すぐに開きすぎて、我々のような存在は生まれない。

　仮に創造神がいるとするなら、そいつは、非常に精密な計算に基づいて、この宇宙を作ったのだろう。
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　だが仮に創造神などいないとすると、なぜ宇宙はこれほど都合よく、曲率0なのか。
そういう疑問が『平坦性問題（Flatness problem）』と呼ばれている。

　しかし、単に偶然で片付けていけない事だろうか。

4つの力の統一理論

　自然界には4つの力が確認されている。
重力。
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電磁気力。
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強い力。
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それに、粒子の崩壊を引き起こしたりする力である、弱い力である。

　これらの力は、本来同じ力だったのが、ビッグバン後に、『真空の相転移（Vacuum phase transition）』という現象により、4つに枝分かれしたという説が、今は主流。
そのような説を、『力の統一理論（Unified theory of force）』とか、『大統一理論（Grand unified theory）』と言う。

真空の相転移

　物理学的な真空とは、文字通り空っぽの空間ではなく、量子力学的な最小エネルギーの空間である。
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さらに最小エネルギーであっても、量子は揺らぐ性質を持ち、時々、粒子と反粒子が生成されては、互いに打ち消しあっている。
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　相転移とは何かというと、温度の変化などにより、ものの性質が変わってしまう現象。
例えば液体が冷やされ、個体に変わったりする現象である。
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モノポールが見つからない宇宙

　ビッグバンの直後、小さな領域に全物質が詰め込まれた宇宙は、凄まじい高温であったが、宇宙が広がることによって、その温度は一気に冷やされていく。
そうして相転移によって、たったひとつだった力はひとつ、またひとつと別れ、結果的に現在のような4つになった。

　だが、（おそらくは急激な）相転移で、力が枝分かれしていったなら、電磁気力が誕生した時に、理論上は誕生したはずのある物が、今のところ確認されていない。

　例えば水を急速に冷やしたとする。
すると氷が出来るが、それはあまり整った形にはならないだろう。

　それと同じように、急速に電磁気力が、他の力が枝分かれした時に、理論上は『モノポール』という物が作られたはずなのだ。

　モノポールとはつまり、S極、あるいはN極のみの磁石である。
しかし、そんなものが見つかった事はこれまでにない。

インフレーション宇宙論とは何か

指数関数的膨張モデル。二人の提唱者

　『インフレーション宇宙論』は、ビッグバン理論自体のいくつかの問題点も解決する。
しかしこれは、本来はむしろ、ビッグバン理論と、力の統一理論の（モノポールが見つからないなどの）矛盾を解消する為に考え出された理論であった。

　1981年、佐藤勝彦は『指数関数的膨張モデル』というのを提唱。
そのすぐ後、彼とは独立に、アラン・グースも同じ発想の理論を『インフレーションモデル』という名称で発表した。
このインフレーションという名前は、非常に魅力的な名であるのか、内容は同じだが、現在、この理論は普通、インフレーション理論と呼ばれている。

宇宙を膨張させるエネルギー

　誕生したばかりの宇宙は、空っぽのようだが、その空間自体が、大きなエネルギーを有していた。
そのようなエネルギーは『真空エネルギー』と言われる。

　そのような真空エネルギーこそ、宇宙の膨張を加速させる、斥力となりうる。
特に生まれたての宇宙において、高い真空エネルギーによる、急激な膨張があったとするのが、インフレーション宇宙モデルなのである。

宇宙創成のシナリオ

　インフレーションモデルにおいて、描かれた宇宙初期のシナリオは以下のようなものである。
宇宙が誕生した直後。
10^-44、つまり0.000000000000000000000000000000000000000000001秒後くらいに、最初の相転移が発生。重力と、他の力が枝分かれする。

　その後10^-36、つまり宇宙誕生から、0.0000000000000000000000000000000000001秒後くらいに、強い力も誕生。
インフレーションが起きたのもこの時期だという。
10^-35秒から、10^-34秒後くらいというわずかな瞬間に、宇宙はおそらく10^43乗倍くらいになった。
これはその時に宇宙が原子1個くらいの大きさだったとしても、一気に1000000000000000000000000000000kmくらいの大きさになってしまうくらいの倍率である。

　このインフレーションが起きた時に、宇宙はそれにより急激に冷え、それによってまた真空の相転移が発生する。
その転移により、真空エネルギーは、大半が熱エネルギーへと変わり、宇宙全体の熱は逆に急激に上がる。
そうして、宇宙はビッグバン理論の提唱者であるジョージ・ガモフが『火の玉』と呼んでいたような状態となった。
インフレーションのシナリオでは、宇宙背景放射は、この時に発生した高熱の名残とされる。

インフレーションモデルの利点

　インフレーションモデルで重要なひとつは、急激な膨張により、存在したはずのものが、どこかに追いやられてしまったという可能性である。
例えばモノポールなんてまさにそう。
インフレーションが起こる時に、確かにモノポールは存在していたが、それらが存在していた領域は、我々にまだ光が届いてないような、遥か彼方に、インフレーションで追いやられたというふうに考えられるのだ。

　また、初期宇宙に生じていた小さな揺らぎが、インフレーションによって引き伸ばされる事で、銀河系や銀河団のタネになる場合がある事も示されている。

　平坦性問題も、急速なインフレーションが、曲率を擬似的に0にしてしまった可能性がよく語られる。

無から生じた真空エネルギー。ダークエネルギーか

　ごく初期の小さな宇宙は、真空のエネルギーも少なかったともされる。
しかしそうだとすると、インフレーションが起きた後の、宇宙を火の玉にしたほどの熱エネルギーとなった真空エネルギーは、どこから発生したのか。
「物質構成の素粒子論」エネルギーと場、宇宙空間の簡単なイメージ
　実は真空エネルギーにはある特殊な性質があるのではないかと、考えられている。
それは宇宙の膨張に対して密度が下がらないのである。
つまり、ある空間が100倍の大きさになったなら、その空間の真空エネルギーも体積が100倍となった分、大きくなるのだ。