マルチバース宇宙論入門

私たちはなぜ︿この宇宙﹀にいるのか

野村泰紀

112

まえがき古代の昔から人間は空を見上げ︑また水平の彼方を眺め︑この世界はどこまで続いているのか︑目に見えるものの先には何があるのか思いを巡らせてきた︒実際︑古代エジプト

からインド︑ギリシャに至るまで︑様々な﹁宇宙論﹂が考えられ︑それらに基づいた神話や哲学が発展してきた︒にもかかわらず︑現代の宇宙論につながる﹁観測に基づいた系統的な世界観の構築﹂が始まったのは︑かなり最近︑ここ４００年あまりのことである︒それを考えると︑我々が現在手にしている宇宙観の壮大さは驚きである︒

我々は︑宇宙が高温・高密度のほぼ一様なビッグ・バンと呼ばれる状態から︑膨張と冷却を通して現在の姿になったことを知っている︒その過程でわずか 万分の１程度の初期の揺らぎが︑重力によって増幅され︑銀河︑星等の構造︑ひいては惑星へとなったことを秒後くらいまでの時期に︑量子力学的効果 ︵素粒子 の世
10-30

知っている︒さらにはその初期の揺らぎは︑ビッグ・バン以前のインフレーションと呼ばれ る︑ 我 々 の 宇 宙 が 誕 生 し て

まえがき

3

10

界 では︑粒子 は一 つの場所 に存在 せず同時 に様々 な場所 に確率的 に存在 するという効果︶によっ

-1
10は

-2
︑ 10は
0.1

て生じたということを︑かなりの確信をもって述べることができる︒︵ 10-30と は 0.0⁝ 01と︒︶これらの驚くべき知見は︑主0.01
個並 ぶ数︒例 え ば

世紀に入って起こった爆発的な物理科学の発展によってもたらされたものである︒そ書 い た時 に ゼ ロ がに

30

しかし︑本書で紹介したいのは︑この 世紀の成功をさらに超える最新の﹁宇宙﹂論で仕事の結果として得られたものである︒

してそれは︑アルベルト・アインシュタインをはじめとする多くの科学者の長年にわたる

20の宇宙に﹁崩壊﹂すると予言される︒

20の詳細な観測と︑最新の理論物理学の発展の自然な帰結として導かれるものであり︑またこの ︵ ユ ニ バ ー ス に対 し て︶﹁ マ ル チ バ ー ス ﹂ と 呼 ば れ る 世 界 像 は︑

世紀末の宇宙膨張

限ではなく︑通常我々が考えるスケールよりははるかに長いものの︑有限の時間で全く別の次元に至るまで多くのことが我々の宇宙とは異なっている︒また我々の宇宙の寿命は無れら多くの宇宙においては素粒子の種類︑性質およびそれを支配する法則︑さらには空間

よれば︑我々が全宇宙だと思っていたものは無数にある﹁宇宙たち﹂の一つにすぎず︑そある︒ここで宇宙という単語をカッコの中に入れたのには理由がある︒この最新の描像に

204近年科学者の間で急速に受け入れられつつある描像でもある︒実際最近の同僚科学者の反やゆ応は︑私が 年程前にある国際会議でマルチバース理論について発表した際︑議長に﹁哲学についての発表をありがとう﹂と揶揄されたことを考えると ︵本来哲学 とはそれ自体重要な も の で あ る は ず な の だ が こ の議長 は そ の言葉 を こ の よ う に使 っ た︶︑隔世の感がある︒

本書の目標は︑このまだ一般にはなじみの薄いかもしれないマルチバース宇宙論の核心部分を読者に紹介することである︒ただ︑一つ強調したいのはこの理論はまだ発展途上だということである︒そのため︑理論の細かい部分は今後の進展次第ではまだ変わることが十分あり得る︒さらには︑私自身はその可能性は少ないと考えているが︑マルチバースという考え自体をひっくり返すような理論的または観測的な展開があるかもしれない︒これは︑科学の理論の宿命である︒科学では︑もし旧来の理論に反する新たな事実が出てきた

場合︑我々はその理論を新たな事実に即するよう修正するか︑または場合によっては理論自体を破棄しなければならない︒科学は︑理論の構成過程等における個人的信念を別にす
れば︑最終的には信じる信じないの世界ではないのである︒

そのため科学︑特に基礎科学の世界では︑ある科学者が一生をかけて研究してきたテーマが︑その人物の死の間際で全く意味のないものであったと判明するということが起こり

まえがき

5

10

得る︒そしてそれはその科学者の取り組んだテーマが革新的なものであればある程起こり得る︒しかし︑このようにリスクのある研究が行われない限りは︑本当に価値のある研究は生まれ得ない︒よって科学の発展にとって大事なのは︑そのような﹁潜在的に全く無価値なもの﹂を受容する風土であると言うことができると思う︒このことは︑新規事業などに関してはよく言われることであるが︑科学でも同じである︒この﹁科学の社会学﹂については︑また別の機会にどこかで書いてみたいと思っている︒

さて︑続く第１章からは︑いよいよマルチバース理論を解説していこうと思うが︑宇宙の始まりやその外側を議論するためには︑まず我々が宇宙と呼んでいるものは何かを理解しなくてはならない︒そこで第１章では我々の宇宙について現在かなり確かなこととして分かっていること―― 主に ︵ ダークマター︑ ダークエネルギーを含 む︶ビッグ・バン宇宙論―― を解説する︒

第２章では︑我々の宇宙があまりにも﹁よくできすぎている﹂ことを問題として提起すわざる︒我々の宇宙を記述する素粒子の標準模型は︑生命︑星︑銀河等を含むあらゆる複雑な構造が許されるように極めて巧妙に作られているようにみえる︒これは﹁神﹂のなせる業

6

であろうか？ それとも︑この事実にも何か科学的な説明をつけることが可能なのであろうか？

第３章では︑前章で提起された問題を解く最も有力な理論としてマルチバース宇宙論を

ち ょ うげ ん

年以上前に予言していたこと︑マルチバース宇宙論は実は紹 介 す る︒ こ こ で は︑ こ の 理 論 が １ ９ ９ ８ 年 に 実 際 に 観 測 さ れ た 宇 宙 の 加 速 的 膨 張 ︵ ２ ０
１１年 にノーベル物理学賞︶を

自然界の基本理論として最も有望と思われる超 弦理論や︑一般相対性理論の予言であるイ

ンフレーション現象等の自然な帰結であること︑を解説する︒さらにはマルチバース宇宙論の示唆する我々の宇宙の将来についても議論する︒マルチバース理論の基本的描像はこの章で与えられる︒

第４章は少し趣向を変えて︑我々の宇宙を超えるような壮大な世界を扱う理論というのは︑本当に科学理論と言えるのだろうかという疑問を考える︒この章では︑マルチバース

描像に至る論理は完全に伝統的な科学の手法の上にあること︑直観を超える世界を軽々に科学の外であると結論することの危険性︑一見原理的に検証不可能であると思われるマル

チバース理論が実はそうではないこと ︵例えば︑理論が観測で棄却されることもあり得ること︶などを議論する︒科学とは何であるかを深く考える章としたい︒

まえがき

7

10

最終章である第５章では︑マルチバース理論とその周辺にまつわる最近の発展を紹介する︒特に︑ブラックホールの物理との関係から示唆される︑空間・時間という概念は相対的な ︵二次的 な︶ものでしかない︑等の理論物理学の研究の最前線を概観する︒ここで触れられる内容は最新のものであるがゆえに︑例えば十年後から見たら正確でなかったり ︵部分的 に︶間違っていたりする可能性も十分にある︒それでも︑研究と同じく本書でもリスクを取ってみたいと思う︒もし読者が︑ここで紹介される議論等から科学の発展の現場におけるスリルを少しでも感じてくれれば幸いである︒また︑まだよく理解されていない多くの謎についてもこの章で議論する予定である︒

本書で紹介される内容は︑必ずしも簡単なものではないかもしれないが︑できるだけ過度の捨象はせず基本的な概念は丁寧に説明したいと思う︒私自身の感覚では︑現在は人類の長い宇宙の探求の歴史のなかでも特に面白い時期にあると思う︒そしてこのような時代に理論物理学者として ︵４００年前 のように火炙 りになる心配 もせず！︶それに携わることができるのは︑幸せな限りである︒もちろん︑我々が日々このような探求に携われるのは︑必ずしも職業科学者でない一般の方々の興味︑理解︑応援があってこそである︒もし本書

8

がそれらの方々と最新の知的興奮を共有し︑それによって少しでも日々の支援への恩返しとなることがあれば︑これに勝る喜びはない︒

まえがき

9

目

まえがき

次

﹁宇宙﹂って何？

第１章

我々の宇宙とは？

謎の物質ダークマター

物質が反物質より多い宇宙へ

34

より初期の宇宙︵ ビッ グ・ バン宇宙︶

若い宇宙は見えている！

膨張する宇宙15

ビッグ・バン宇宙に残された謎

38

31

26

22

18

16

3

第２章

ビッグ・バン以前の宇宙︵ イン フレーシ ョン宇宙︶
我々の住む宇宙の全貌

よくできすぎた宇宙

60

素粒子の不思議な構造

基本的構造にしてはあまりにも恣意的だ
真空のエネルギーと宇宙の加速的膨張

65

48
55
56

無 数 の 異 な る 宇 宙 た ち

73

大いなる謎

―
﹁マルチバース﹂

第３章

ワインバーグの洞察

74

69

42

第

章

4

超弦理論と量子重力の問題
余剰次元が沢山の種類の宇宙を予言する！

永久インフレーションと無数に生成される宇宙
ユニバースからマルチバースへ
泡宇宙なのに無限に大きい？

97

93

86

81

観 測 と の 関 係

106

101

マルチバースと新たな時空の描像
我々の宇宙の将来―

これは科学？

よくある誤解﹁人間原理﹂について

119

115

マルチバースと科学の方法論
マルチバースと観測

130

127

123

120

第５章

現代物理学の挑戦―

時 空 の 概 念 を 超 え て

142

さらなる発展

148

永久インフレーションと無限大
量子力学の不思議な世界

157

152

141

136

エヴェレットの多世界

172

166

ブラックホールの量子力学

176

量子的マルチバース
観測的な探索
さらに先へ

あとがき
参考文献

185 180

﹁宇宙﹂って何？

第１章

我々の宇宙とは？

宇宙の﹁果て﹂はどうなっているのだろうか？ その﹁外側﹂には何があるのか？ 宇宙はどのようにして生まれたのか？ その生まれる﹁前﹂には何があったのか？ 多くの人が一度はこのようなことを考えたことがあると思う︒

ただし︑これらの質問に答えるためには︑まず﹁宇宙﹂とは何か︑空間︑時間とは何かを理解しなければならない︒例えば︑もし宇宙に何らかの﹁果て﹂があったとして︑その﹁外側﹂も含めて宇宙と呼ぶことにしたら︑言葉の定義からして宇宙には﹁それ以外﹂のものはないことになる︒同じように︑﹁外側﹂や﹁前﹂という言葉が意味を成すには︑それ以前に空間や時間という概念がはっきり定義されていなければならない︒

もちろん︑我々の日常生活においてはこれらの概念は当たりまえのものだが︑我々は宇宙誕生の瞬間等の﹁極限﹂の状況を考えるのである︒そしてそのような状況では︑空間や時間といった概念が我々の日常の直観からずれてくることは大いにあり得ることである︒

では︑現在我々が ︵時に漠然と︶宇宙と呼んでいるものは︑より厳密には何を指すのであろうか？ 我々はコペルニクス︑ガリレイの時代から︑自らの暮らす大地が太陽系にある

16

数ある惑星の内の一つの表面にすぎないことを知っている︒そして︑その中心にある太陽も銀河系にある無数の ︵数百億個程度の︶恒星の内の一つにすぎない︒︵最新 の観測 は︑ これらの恒星 の多 くも我々 の太陽同様惑星 を持 って いることを示唆 して いる︒︶

さらには︑我々の銀河系も数多く存在する銀河系の中の一つにすぎないことも 世紀初頭には明らかになる︒このようにどんどん大きなスケールで見ていくと︑我々の周りの世界は観測的に ︵粗っぽく言って︶ほぼ一様であることが現在分かっている︵図１︶︒そしてこの一様な領域は全て﹁標準模型﹂と呼ばれる素粒子の理論 ︵正確 には︑ それをダークマター︑ ダークエネルギーと
呼 ば れ る も の を含 め拡張 し た も の︶で正確に記述されることも分かっている︒この領域が︑我々が宇宙と呼ぶものである︒
具体的には︑我々の宇宙は三つの空間次元 ︵ x, y,︶zを持ち︑その上には六種類のクォーク︑六種類のレプトン︑ヒッグス粒子と呼ばれる素粒子たちが住んでいる︒︵我々 のよく知 る電子 は︑

1720

大きなスケールでは、ほぼ一様

図1

レ プ ト ン の内 の一 つ で あ る︒ ま た︑陽子 や中性子 は︑ そ れ ぞ れ三 つ の ク ォ ー ク に よ っ て作 ら れ た

複合粒子 で あ る︒︶これらの素粒子は︑︵重力 に加 え て︶電磁気力︑弱い力︑強い力と呼ばれる力によって相互作用を及ぼしており︑その質量および相互作用の強度などは宇宙のどこに行っても同じである︒

より正確には︑まだ我々がその正体をよく知らないダークマターと呼ばれる粒子も存在していることが分かっているが︑その性質も宇宙のどこに行っても同じと考えられている︒︵ ダークマターの存在 は︑ それの及 ぼす重力 の効果 から存在 が示 されているが︑ その効果 は場所 によらず一定 であるように見 える︒︶我々の知っている核物理︑原子・分子等の化学︑生命などは全てこの構造の結果として生じるものである︒
膨張する宇宙世紀の科学の最大の発見の一つは︑我々の宇宙はずっと同じ状態で存在してさて︑この我々が宇宙と呼ぶものはどのようにして生まれ︑どこまで広がっているのだ
ろうか？

この理解に至る過程は︑科学というものがどのように発展するのかを見る上で非常に興いるわけではなく︑膨張を続けているということを見つけたことである︒

20

18

味深い︒話はアインシュタインが重力を時空の幾何学として記述する一般相対性理論を１

９１６年に完成させたところから始まる︒この理論はニュートンの重力理論を相対性の原理と矛盾しないよう拡張したもので︑物理学の歴史上でも最も美しい理論の一つである︒︵理論 は︑後 に非常 に高 い精度 でその正確 さが確 かめられることになる︒ また２０１６年 に遂 に直︶接検出 され た重力波 も一般相対性理論 の重要 な予言 の一 つで ある︒

アインシュタインは理論の発表から一年も経たず︑それを宇宙全体に適用してみた︒そこで得たのは︑宇宙は膨張するか収縮するかのどちらかでしかないという答えであった︒

そして︑当時の常識では︑宇宙というのは﹁常にそのままでそこにあるもの﹂でなければならなかった︒︵現在 の我々 か ら す る と︑当時 の状況 を本当 の意味 で推察 す る の は難 し い が︑想像 は で き る︒多 く の人々 は た っ た４００年程前 ま で地球 が宇宙 の中心 に あ る と信 じ て疑 わ な か っ
もった の だ し︑数千年前 ま で は こ の大地 が球形 で あ る な ど思 い も し な か っ た の だ︒︶

この答えは︑アインシュタインの天才を以てしても受け入れることができなかった︒彼は彼の得た美しい理論を修正し︑膨張も収縮もしない定常な宇宙が得られるよう試みた︒

それは一見うまくいったように見えたが︑理論には余分な構造が付け足され︑また得られた定常な宇宙も非常に不安定なものであった︒︵ たとえて言 うと︑ もし鉛筆 が完全 に垂直 であ「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

19

れば︑芯を下にしても支えなしで机の上にずっと立っていられると主張するようなものであった︒︶

この状態は１９２９年に劇的に解決される︒アメリカの天文学者︑エドウィン・ハッブ

ルが宇宙膨張の証拠を見つけたのである︒アインシュタインは彼の試みた理論の修正を︑

人生最大の過ちであったと語ったと言われる︒︵ これは理論物理学者 としては非常 によくわかる︒自分 の発見 し た︑ し か も自他共 に認 め る非常 に美 し い方程式 を信 じ切 る こ と が で き ず︑常識に合 う よ う に変更 し た結果︑ の ち に元 の理論 が予言 す る革新的 な結果 の方 が真実 で あ る と判明 した の で あ る︒非常 に悔 し か っ た で あ ろ う︒︶

実際にハッブルが見つけたのは︑︵ ほぼ︶全ての銀河は地球から遠ざかっており︑またそのスピードは遠くにある銀河ほど速いということである︒これはまさに宇宙が膨張していることを意味する︒例えば風船の上にほぼ一様に点を書き︑風船を膨らませたとしよう︒

もし︑我々がこの点の中の一つに住んでいるとすると︑全ての点は我々から遠ざかっているように見え︑また遠くの点ほど速く遠ざかっているように見える︒︵ こ こ で は点 を銀河 にな ぞ ら え︑風船 の表面 を宇宙 に な ぞ ら え た︒︶

ここで宇宙が膨張しているとはどういうことかを︑もう少し正確に記述しておこう︒宇20

宙が膨らんでいると言うと︑読者は初め小さかった宇宙が大きくなっていくというイメージを持つかもしれない︒︵実際︑先 の風船 の例 で は風船 の表面積 は大 き く な っ て い る︒︶しかし︑これはそうとは限らない︒ 図２に示すように︑膨張宇宙の﹁大きさ﹂は最初から無限であり得るのである︒すなわち︑宇宙が膨張しているとは︑宇宙の異なる点の間の距離 ︵例 えば銀河間 の距離︶が一様に大きくなっていく現象のことであり︑それは必ずしも宇宙全体のサイズが有限であり︑それが時間と共に大きくなっていくということではない︒ この点はよく誤解されているので︑注意が必要である︒
いずれにしても︑ もし宇宙が膨張を続けているのであれば︑初期の宇宙はその内容物がもっとぎゅうぎゅうに詰まった高密度の状態であったはずである︒そして︑エネルギーがそのよう

21に高密度に詰まっているということは︑高温であることを意味する︒すなわち宇宙は高温・高密度の﹁ビッグ・バン﹂から始時間

図2

まったはずであり︑現在の﹁ほぼスカスカ﹂な宇宙はこの状態から膨張を通して得られたものだということになる︒
若い宇宙は見えている！

では︑このビッグ・バン宇宙論は観測的にはどの程度確かめられているのだろうか？ 実は︑年齢がまだ約 万歳︑温度が３０００度程度だった頃の初期の宇宙は﹁直接見えていこのことを理解するには︑光の速さが有限 ︵秒速約 万 キロメートル︶であることに注意

氏 マイ ナス２７０度程度︒︶

る﹂のである︒︵ ちなみに現在 の宇宙 の年齢 は約１３８億歳︑温度 は絶対温度 にして２・７度︑摂40るのである︒

ば１億光年の彼方にある銀河を観測すれば︑我々は宇宙の１億年前の姿を見ることができはその星の１０００年前の姿を見ているのである︒だから︑もしさらに遠くの銀河︑例えが今見ている光はその星を１０００年前に出発したということを意味する︒すなわち︑我々としよう︒︵例 え ば︑ オ リ オ ン座 の星 ベ テ ル ギ ウ ス ま で の距離 は約５００光年︒︶それは︑我々すればよい︒今︑１０００光年 ︵光 が１０００年 か か っ て進 む距離︶の彼方にある星を見た

30

22

このようにより遠くを見ていったとすれば︑一体何が見えるのだろうか？ ビッグ・バ

ン宇宙論によれば︑初期の宇宙は高温高密で光り輝いていたはずである︒であれば︑星々や銀河よりさらに遠くの背景はピカピカに光り輝いているはずである︒なのに︑夜空は暗い︒なぜ夜空は輝いていないのだろうか？

図3

実は︑輝いているのである！ ただし宇宙が膨張しているため︑我々に届く光はドップラー効果によりその波長が間延びして︑可視光の範囲を超えているのである︒ドップラー効果とは︑我々から遠ざかって ︵ もしくは近 づいてきて︶いる物
体から発せられた波の波長が︑長く ︵短 く︶なる現象のことである︒︵遠 ざ か っ て い く救急車 の サ イ レ ン が間延 び し て低 く聞
こ え る の は︑ こ の現象 の代表的 な例 の一 つ で あ る︒
︶そして光も波とみなせるため︑この現象によって遠ざかっていくものから発せられた場合その波長は長くなり︑初期宇宙からの光は

23

ちょうど電波領域になっているのである︒つまり︑電波で見れば実際夜空はピカピカに光り輝いているのである ︵図３︶︒

宇宙背景複写…ほぼ完全に一様等方ふくしゃこの初期宇宙から来る宇宙背景輻射と呼ばれる電波は︑ペンジアスとウィルソンにより

１９６４年に偶然発見された︒二人は超高感度のアンテナの研究中︑説明のつかない電波

ノイズに出会った︒彼らも初めは地表からの雑音等を疑ったのだが︑いくらこれらの雑音を除去していっても問題の電波は残った︒しかもこの電波は︑全ての方向から一様に来ているように見えた︒この電波シグナルこそが︑まさにビッグ・バンからの名残りの光だったのである︒

ペンジアスとウィルソンの二人はこの業績により︑１９７８年のノーベル物理学賞を受賞することになる︒また︑後の詳細な解析により︑この宇宙背景輻射は宇宙の温度が３０００度程度︑その年齢が現在の宇宙年齢の約３５０００分の１程の頃に発せられたことが分かる︒この﹁若い時代の宇宙﹂を我々は直接見ることができるのである︒

先に宇宙は大きなスケールではほぼ一様に見えると言ったが︑この一様性は初期の宇宙ではより著しいものであった︒実際︑宇宙背景輻射はどの方向からもほぼ同じように我々に届いている︒これはそれが発せられた時代の宇宙がほぼ完全に一様であったことを意味
している︒

24

現在我々は︑詳細な観測により︑この時代の宇宙がたった 万分の１程度の密メージしてみよう︒いくらかきまぜてもその密度を 万分の１の精度で一様にすした︒︶よく考えると︑これは驚くべきことである︒例えばポタージュスープをイ︵ こ の揺 ら ぎ の観測 に よ り︑ マ ザ ー と ス ム ー ト が２００６年 の ノ ー ベ ル物理学賞 を受賞

度揺らぎしかない完全に一様なスープのような状態であったことを知っている︒

10

かに ︵ ほんの 万分 の１程 の！︶密度の高い領域は重力により︑より多くの物質を

この一様な宇宙は︑膨張を続けながら現在の宇宙へと至る︒その過程で︑わずることなどできないであろう︒宇宙はそれ程完全に一様だったのである︒

10

引きつけ︑より高い密度になっていく︒そしてそれに従って︑密度の低い領域の密度はより低くなっていく︒この重力による不安定性の結果が︑我々の知る銀河団︑銀河︑恒星なのである︒

実際現在の我々は︑衛星の観測等によりこの時代の全天の詳細な地図を持っている︒そしてこの 万分の１程度の密度揺らぎしかない初期条件からコンピュー

ターでシミュレーションすることにより︑ほぼ現在の宇宙を再現することができ10るのである ︵図４︶！ ︵ こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン が う ま く い く た め に は︑ ダ ー ク マ タ ー︑

25

10

図4

ダ ー ク エ ネ ル ギ ー の存在 を考慮 に入 れ る こ と が必要 で あ り︑ こ れ は ダ ー ク マ タ ー︑ ダ ー ク エ ネ ル

ギ ー が実際 に存在 す る こ と の証拠 の一 つ と な っ て い る︒ ダ ー ク マ タ ー︑ ダ ー ク エ ネ ル ギ ー に つ いて は︑ ま た後程︒
︶我々の住む銀河系︑太陽︑地球︑そして我々自身すらも︑このたった万分の１の初期の密度揺らぎの帰結なのである︒
より初期の宇宙︵ビッグ・バン宇宙︶

見ることはできない︒ 万歳より以前の宇宙の密度は高すぎて︑電磁波が遮られてしまう

宇宙背景輻射が発せられた時代より前の宇宙は︑電磁波である光︑電波等を使って直接10る︒その方程式を時間を逆に解いていくことにより︑より初期の宇宙はどうなっていたの

そんなことはない︒我々は︑ビッグ・バンさえ﹁予言﹂した一般相対性理論を持っていも知り得ないのであろうか？

いが︑これらの技術はまだ確立していない︒では︑我々はこれより前の宇宙については何ば︑より透過力の高いニュートリノ ︵ レプトンの一種︶や重力波などを使わなければならなって︑ それより先を見ることができない ︵図３︶︒ も し こ れ よ り 先 を﹁ 直 接 ﹂ 見 よ う と す れのである︒つまり︑宇宙背景輻射が発せられたところは﹁光 ︵電波︶の壁﹂となってしま40

26

かを知ることができる︒またそのようなより高温高密の世界で何が起こったかは︑素粒子の標準模型を使えば調べることができるのである︒

それによれば︑宇宙で ︵陽子 そ の も の で あ る水素以外 の︶原子核が合成されたのは︑宇宙の年齢が約１分から 分くらいまでの間であることが分かる︒それ以前の宇宙には原子核というものは存在せず ︵ と い う こ と は も ち ろ ん原子 も存在 せ ず︶︑陽子︑中性子︑電子 ︵及 びニ ュ ー ト リ ノ︑光子︶が飛び回っているだけのプラズマ状態であった︒︵ そ の よ う な宇宙 の年齢 を ど の よ う に決 め る の か と い う と︑一般相対性理論 の方程式 を時間 を逆に解 い て︑異 な る２点間 の距離 が﹁ ほ ぼ ゼ ロ﹂ に な る ま で の時間 を計算 す れ ば良 い︒ こ こ で重要な の は︑距離 が正確 に ゼ ロ に な る ま で の時間 を求 め る必要 は な く︑十分小 さ く な る ま で の時間 を

求 め れ ば よ い と い う点 で あ る︒ な ぜ な ら︑ そ れ で宇宙年齢 に関 す る誤差 は十分 に無視 で き る ほ ど

小さくなるからである︒ つまり︑宇宙年齢を導くのに宇宙の本当の最初の瞬間を知る必要はない︒︶

さて︑この ︵水素以外の︶原子核が初めて作られた﹁ビッグ・バン原子核合成﹂は計算で詳細にシミュレートすることができる︒特に︑この時に作られた重水素︑三重水素︑及びヘリウム︑リチウム︑ベリリウムとその同位体の宇宙全体に存在する質量の比は精密に計算でき︑それは観測とよく一致している︒つまり︑我々は宇宙が誕生して約１分以降の歴「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

27

10

史は︑かなり詳細に知っているのである︒︵ ちなみに︑我々自身を構成する炭素︑窒素︑酸素︑及び金属等を含むより重い元素は︑ ビッグ・バ ン原子核合成 で は ほ と ん ど作 ら れ な い︒ こ れ ら は︑ よ り後 の時代 に恒星 が誕生 し た後︑ そ の内部 の核反応 に よ り作 ら れ た も の で あ る︒ そ の証拠 に︑初期 の第一世代 と呼 ば れ る恒星 に は こ れ ら

億年程前 に誕生 し た第二世代︑ も し く は第三世代 のの元素 は ほ と ん ど含 ま れ て い な い︒我々 の太陽 は︑ こ れ ら第一世代 の恒星 が そ の寿命 を爆発 に より終 え た後︑吹 き飛 ん だ ガ ス を元 に今 か ら

そして︑さらに年齢が

ゆ

かわひでき

秒程 ︵温度にして数百兆度程︶より前には︑電磁気力と弱い力
10-12るクォークが飛び交う世界であった︒

上︑年齢にして１マイクロ秒 ︵ 10秒︶以前の宇宙には︑陽子︑中性子︑及び ︵湯川秀樹 により最初 に導入 された︶核力を媒介するパイ中間子などはまだ存在せず︑その構成要素であ-6

だし︑ この時期に何が起こったかの概要は分かっている ︵図５︶︒ まず︑ 温度が約１兆度以ビッグ・バン原子核合成以前の宇宙の歴史に関しては︑主にまだ理論の領域である︒た我々 の体 は大昔 の星 の残骸 でで きている のである！︶

星 で あ る︒ こ れ が地球 を含 む太陽系 の惑星 に こ れ ら の重 い元素 が含 ま れ る理由 で あ る︒ つ ま り︑

50

28

約1億度

ビッグ・バン原子核合成

約1-10分

約3000度宇宙の「晴れ上がり」

約40万年

は電弱相互作用として﹁統一﹂された状態にあり︑またクォー～10 -6 秒

クとレプトンの質量はゼロであった︒つまり宇宙が膨張して冷クォークの世界から
陽子、中性子、パイ中間子の世界へえるにつれ︑年齢が 10-12
秒程の時期に電磁気力と弱い力は我々が知るように全く異なる力として分かれ︑また電子を含む素粒

約1兆度

子 ︵ クォーク︑ レプトン︶は初めて質量を持ったのである︒これはヒッグス場と呼ばれる空間に満ちている﹁もの﹂が凝縮する
世紀 の素粒子物理

ことによって起こった︒︵我々 が真空 と呼 んでいる状態 でも様々 な
場 と呼 ば れ る も の が存在 し て い る と い う の は︑

学 に よ り得 ら れ た大 き な知見 の一 つ で あ る︒場 の力学 を記述 す る理論 は﹁場 の量子論﹂ と呼 ば れ て お り︑現代物理学 を学 ぶ大学院生 の必修 とも言 える分野 にな っている︒︶

このように我々がはるか初期の宇宙について知ることができるのは︑素粒子物理学により非常に高温︑高エネルギーの状態
で何が起こるかを計算することができるからである︒これらの

29

時間

温度

～10 -12 秒

素粒子（クォーク、
レプトン）が質量を持つ

弱い力

数百兆度

電磁気力

電弱相互作用20

物理は 世紀半ばから後半にかけて構築され︑その正しさは繰
20

これ以降の宇宙は光（電磁波）で見ることができる

図5

り返し実験で確かめられてきた︒︵標準模型の一部を成す︶電弱統一の理論はグラショウ︑ワ

インバーグ︑サラム等によって完成され︑３人はこの業績により１９７９年のノーベル物理学賞を受賞している︒

またその重要な構成要素であるヒッグス場の理論は１９６４年︑ブラウト︑アングレー

ル︑ヒッグス等により提唱された︒これらの理論の正しさは︑理論の様々な予言が実験とよく一致することから既にほぼ疑いなきものとなっていたが︑２０１２年にヨーロッパにある大型ハドロン衝突型加速器 ︵ＬＨＣ︶において︑その決定的な帰結であるヒッグス粒子が発見されるに至り最終的に確認された︒︵ こ れ に よ り︑ そ の時 ま で に亡 く な っ て い た ブ ラ

桁以上一致している︒これがどのくらい驚異的なことかイメージするために︑世の中

これらの理論と実験との一致の精度は数千分の一を超え︑電磁気力の部分に至っては最ウ ト を除 く︑ ア ン グ レ ー ル と ヒ ッ グ ス の二人 は２０１３年 の ノ ー ベ ル物理学賞 を受賞 し た︒︶

高４１５９２６５３５⁝⁝と 桁以上一致しているのを確認するのがどれ程大変なことか想に完全な円があったとしてその円周と直径を測定してみたとしよう︒その比が理論値３・１10

像できるであろう︒現実的には３桁の一致でさえ成功と言えるのではないだろうか︒

1030

謎の物質ダークマター

このようにしてどこまで宇宙の﹁熱史﹂を遡れるのかについては︑まだ完全に分かってはいない︒ ただ多くの科学者は ︵様々 な理由 に よ り︶相当初期の状態︑ 例えば温度にして
21

-25

21

10度以上︑年齢にして 10 秒以前︑くらいまでは遡れるのではないかと考えている︒︵ 10は１ の後 にゼロが 個並 んだ数︒
︶そしてこのような超初期の宇宙では︑二つの大きな出来事が起こったと考えられている︒

一つは現存するダークマターの量が︑この時期の歴史で決まったであろうということである︒ダークマターとは︑その存在が宇宙論的観測から強く示唆されるものの︑素粒子の標準模型には含まれていない未知の粒子である︒このダークマターの証拠は多岐にわたっており︑その存在はもはや疑いのないものであるが︑そのいくつかは以下のようなものである︒

まず第一には︑観測される星やガスの量を全て足しても︑必要な重力作用から導かれる

銀河系の質量に全く足りないことが挙げられる︒これは︑我々の知っているクォークやレ

プトンなどの素粒子以外の﹁見えない質量﹂が我々の銀河系に満ちていることを示してい「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

31

21

る︒同様の結果は︑他の銀河についても当てはまり︑これは銀河というものがほぼダーク

マターからできており︑我々の知っている粒子はそのほんの一部でしかないということを意味している︒

先に宇宙背景輻射の時代の 万分の１程度の密度揺らぎから︑現在の我々の宇宙がシミークマターであり︑我々の知っている粒子は５分の１程度 ︵ より正確 には約 ％︶に過ぎなしているということである︒それによると︑宇宙に存在する全物質のおよそ５分の４がダ

ここで重要なのは︑これらの異なる考察から示唆されるダークマターの量が︑全て一致

入れた場合にのみ他の観測との整合性がとれる︒

宇宙における質量比が観測と合っていると言ったが︑これもダークマターの存在を考慮に観測と合うのである︒また︑ビッグ・バン原子核合成のところで計算による様々な元素のュレーションできると言った︒これも︑ダークマターの存在を考慮に入れて初めて現在の10り上げる︒ここでは︑ 図６に現在の宇宙の全エネルギーの内訳を示しておくことにする︒

ことも分かってきたが︑このダークエネルギーと呼ばれるエネルギーのことはまた後程取い︒さらには近年︑現在の宇宙に存在するエネルギーのほとんどは物質ですらないという

19

32

いずれにしても︑現在のダークマターの量は初期宇宙の歴史の結果として決まったと考
へいこう

図6

えられる︒有力な考えの一つは︑初期の宇宙ではダークマターも標準模型の素粒子と共にダークエネルギー69%

熱的な平衡状態にあり︑それが宇宙が膨張して冷えるに従ってダークマターが我々の物質

星と銀河 ~0.4%

普通の物質（ガス）4.4%

ニュートリノ ~0.1‒1.6%から切り離されて現在に至るという説である︒この説がもっともらしいのは︑ダークマタ

ダークマター
26%ーの質量や相互作用の強さがヒッグス場の凝縮のスケールと同程度であるとすると︑現在のダークマターの量が計算により再現できるという点である︒︵ ダークマターの性質が︑ ヒッグ
ス場 の凝縮 の ス ケ ー ル と関係 し て い る か も し れ な い と考 え る理論

的根拠 は い く つ か存在 す る︒少 な く と も︑標準模型 で は こ の ス ケ
ー ル が理論 に存在 す る唯一 の基本的 ス ケ ー ル で あ る︒︶

もしこの考えが正しければ︑ダークマターは我々の知ってい る 素 粒 子 と 非 常 に 弱 い も の の 相 互 作 用 を す る は ず で あ り︑
その強度は陽子同士の間の相互作用より約 桁小さい程度と見積もることができる︒これを使ってダークマターを直接検出する試みは︑筆者が在籍するカリフォルニア大学バークレ

33

20

ー校の同僚や日本のチームも含めて世界中の研究者がしのぎを削っており︑近い将来にも﹁ダークマターついに直接検出﹂のニュースが聞けるかもしれない︒︵ これらの実験 は宇宙線の影響 を避 け る た め︑炭鉱 な ど の地下深 く で行 わ れ る︒日本 チ ー ム の実験ＸＭＡＳＳ は︑岐阜県

神岡鉱山 の地下１０００ｍ の実験施設 で行 われ ている︒︶

物質が反物質より多い宇宙へ

初期の超高温高密の宇宙で起こったもう一つの重要な出来事は︑現在我々が見ているよ

うな物質が反物質に比べて優勢の世界が作られたことである︒反物質とは︑全ての粒子に対して存在する︑質量が同じでそれ以外の性質が正反対の粒子のことである︒例えば︑電荷 を持つ電子に対しては︑質量が全く同じ ︵約 9.109
× 10-31kg︶で電荷 を持つ﹁反電子﹂︵通常︑陽電子 と呼 ば れ る︶が存在する︒同様に陽子︑中性子を含む全ての粒子に反粒子が+1

的に見つけたのはセグレとチェンバレンで１９５９年にノーベル物理学賞をそれぞれ受賞した︒現際 に発見 し た の は カ ー ル・ ア ン ダ ー ソ ン で１９３６年 に ノ ー ベ ル物理学賞︑最初 に反陽子 を実験︵陽電子 を最初 に予言 し た の は ポ ー ル・ デ ィ ラ ッ ク で１９３３年 に ノ ー ベ ル物理学賞︑ そ れ を実

存在する︒

-1

34

在 で は︑反物質 は特殊相対性理論 と量子力学 を統一 し た﹁場 の量子論﹂ の一般的 な予言 と し て理解 さ れ て い る︒ な お光 の粒子 で あ る光子 の よ う に︑電荷等 の性質 を持 た な い粒子 に関 し て は反物

質 が元 の物質 その ものであり得 る︒実際︑光子 の反粒子 は光子自身 であ る︒︶
ついこれらの反物質は︑ある意味﹁マイナス﹂の物質のようなものである︒例えば︑反物質が対応する物質と出会うと︑対消滅という現象を起こして共に消えてしまう︒この際︑元2 式で与えられる量の︑大量のの物質と反物質の質量は有名なアインシュタインの E=mcのエネルギーに変換される︒また空間のある領域に大きなエネルギーを集中させれば︑そこから物質と反物質をペアで生み出す ︵対生成 する︶ことができる︒

不思議なのは︑このように物質と反物質は対称な性質を持っているように見えるのに︑

我々の宇宙には主に物質ばかりが存在し︑反物質はほとんどないように見えることである︒

もし宇宙初期に物質と反物質が同じ量存在したならば︑そこからいくら対消滅や対生成を繰り返したところで物質と反物質の量は同じままのはずである︒実際︑後にも述べるように宇宙超初期の物質と反物質の量は同じであったと考えられる︒であれば︑現在我々が見る物質優勢の世界は宇宙の進化の過程で形作られたはずである︒どのようにしてだろうか？

「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

35

この問いに関する一般的は答えは︑ロシアの科学者アンドレイ・サハロフによって１９６７年に与えられた︒︵彼 は旧 ソビエト連邦 で水素爆弾開発 に携 わり﹁ ソ連水爆 の父﹂ と呼 ばれた が︑後年 は圧政 に抵抗 す る活動︑人権運動 な ど に尽力 し︑１９７５年 に ノ ー ベ ル平和賞 を受賞した︒︶サハロフは︑粒子と反粒子の質量︑寿命などは場の量子論の帰結として同じである

ものの︑その相互作用の詳細については完全に同じとは限らないということに注目した︒

例えば︑粒子 がX 二つの 粒Y 子もしくは二つの 粒Z 子に確率的に崩壊でき︑また同様にのと ↓X 反粒子 もX̄ 二つの ︑Ȳ   二つの にZ̄ 崩壊できるとしよう︒ この時︑ ↓
X YY
X ZZ
の二つの過程が起こる強さの和は ︵ とX̄ 寿命 が同 じ で あ る こ と か ら︶ ↓X のX̄ ȲとȲ ↓X̄ Z̄Z̄

の起こる強さの和と等しい︒しかしこれは必ずしも ↓とその反粒子版である ↓X YYX̄ ȲȲが等しいことを意味しない︒サハロフは︑このことを使えば物質数と反物質数が同じ宇宙から出発して︑物質数優勢な宇宙へと導けることを示した︒︵ ここで考 えたような物質 と反物
こば や しま こ と

ま すか わと しひ で質 の相互作用 の非対称性 を︑専門用語 でＣＰ が破 れ て い る と い う︒標準模型 に お け るＣＰ の破 れの研究に関しては︑日本の小林 誠 と益川敏英が２００８年のノーベル物理学賞を受賞している︒︶

この﹁物質数の生成﹂は︑基本的には以下のようにして起こったと考えられる︒まず宇宙の超初期の超高温高密の時代には︑物質と反物質は同じ量だけ存在していた︒しかし︑

36

先に述べたＣＰの破れの効果 ︵粒子 と反粒子 の相互作用 が完全 に
対称 ではない効果︶により︑宇宙進化の過程で二つの量の間にほんのわずかな差が生じた︒︵観測 から逆算 すると︑ この違 いは約× 10-10程度 で あ っ た こ と が分 か る︒ つ ま り︑物質 の量 が１００００
００００００ あ っ た と す る と反物質 は９９９９９９９９９４程度 あっ た こ と に な る︒
︶そしてさらに宇宙が冷える過程で︑これらの物質と反物質はそのわずかな違いの分を残して全て対消滅してしまい︑物質のみの宇宙が残ったのである ︵図７︶︒
この物質数生成の機構がより詳細にどのようなものであった
ふ くぎ たま さた かや な ぎだつとむ

かについては︑いくつかの説がある︒いくつかある最も有望な候補の中の一つは︑日本の福来正孝と柳 田勉により提唱された
レプトジェネシスと呼ばれる機構で︑これは宇宙の物質数と素粒子であるニュートリノの質量とが関係しているという非常に興味深い理論である︒そのため︑この理論は将来の詳細なニュ

6

37

図7

反物質

物質

物質

対消滅

そうてんいートリノの観測によってその妥当性を検証することができると考えられている︒

また︑いくつかの物質数生成の模型は︑二つの量の違いが宇宙初期の相転移 ︵水 が水蒸気になるなど︑ その性質が劇的に変化する過程のこと︶に付随して起きることを予言している︒

このような模型は︑将来の重力波の観測が宇宙初期の相転移を探る可能性を秘めていることから︑それを通じて観測的に探索することができるかもしれない︒︵重力波 は ア イ ン シ ュタ イ ン に よ る１９１６ の予言 か ら１００年 を経 て︑２０１６年 に遂 に直接観測 さ れ た︒ こ の業績は恐 ら く２０１７年 の ノ ー ベ ル物理学賞 を受賞 す る だ ろ う︒︶

ビッグ・バン宇宙に残された謎

ここまで見てきたのがビッグ・バン宇宙論と呼ばれるものの概要である︒この描像は︑世紀後半にダークエネルギーが発見されたことや︑ダークマターの正体や物質数生成の

現在では︑もはやビッグ・バン宇宙論の基本的描像はほぼ疑いのないものである︒それ全てこの描像を支持するものであった︒

る︒そしてその後の宇宙論的観測︑素粒子論的実験は ︵ ここで紹介 しなかったものも含 めて︶

詳細がまだ分かっていないこと等はあるが︑おおむね約半世紀前までに確立したものであ2038

によれば︑我々の宇宙はその初期にはほぼ完全に一様な超高温高密の世界であった︒そして我々やその周りの世界を構成する物質は︑反物質との対消滅を逃れたわずかな﹁残りカス﹂であり︑また銀河︑星︑生命等を含むその全ての構造はたった 万分の１の初期の密度揺らぎから生じた﹁さざ波﹂のようなものにすぎないのである︒

初期の宇宙がほぼ一様だったものの︑ 万分の１程度の密度揺らぎが存在していたことをるが︑それによって宇宙の謎の全てが解けたわけではない︒特に︑ビッグ・バン宇宙論はビッグ・バン宇宙論の成功︑およびそれが我々の世界観に与えた影響は著しいものであ10

明らかにした︒もし︑この密度揺らぎが存在しなかったならば︑銀河︑星等を含む現在の宇宙の全ての構造は存在し得なかった︒これらの構造は初期の揺らぎが重力により増幅されてできたということを思い出してみよう︒もし初期の状態が﹁完全に﹂一様であったな

ら︑このような構造形成は起こり得ない︒なぜなら何も増幅するものがないからである︒

すなわち︑密度が一様でなかったことは宇宙が現在の形を取るうえで極めて重要なことであったと言える︒しかし︑どうせ一様でないならなぜ全く一様でない宇宙にならず︑﹁ほぼ一様な﹂宇宙になったのだろうか？ ここには何かビッグ・バン宇宙論で捉え切れてい「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

39

10

ないメカニズムが働いているように思われる︒

他にもビッグ・バン宇宙論で説明できない現象の一つとして︑宇宙が極めて平坦である

ことが挙げられる︒宇宙が平坦であるとは︑宇宙の異なる３点を最短の線で結ぶ三角形を作ったとき︑その内角の和がちょうど１８０度になる性質のことである︒我々は小学校で三角形の内角の和は１８０度であることを学ぶ︒しかし︑実はこの性質は自明のことではないのである︒

例えば︑２次元の面を考えたとしよう︒もし面が平面であれば︑このようにして作った三角形の内角の和は確かに１８０度になる︒しかしもし面が球面であれば︑ 図８に示すように異なる３点の間を最短の線で結んでできた三角形の内角の和は１８０度よりも大きくなる︒このような空間 ︵ この場合︑面︶を︑正の曲率を持っていると言う︒

これを宇宙に当てはめると︑もし宇宙空間が次元が一つ大きくなった球面のようなものであれば ︵具体的 には︑ その体積 が有限 であり︑ どちらの方向 に真 っ直 ぐ進 んで行 っても元 の場

︑ ３点を最短の線で結んで作った三角形
所 に反対 か ら戻 っ て く る よ う な性質 を持 っ て い れ ば︶の内角の和は１８０度より大きくなるはずである︒そして︑この１８０度からのずれは︑

図８から分かるように三角形が大きい程大きくなるはずである︒︵ こ れ と同様 に︑三角形 の内40

角 の和 が１８０度 よ り小 さ く な る空間︑ す な わ ち負 の曲率 を持 っ た空間と い う の も考 え ら れ る︒宇宙 の曲率 に つ い て は ま た後程議論 す る︒︶

現在の観測によれば宇宙は非常に平坦︑つまりその曲率は極めて小さいことが分かっている︒なぜ宇宙は﹁︵球面 のような︶正の曲率を持つもの﹂や﹁負の曲率を持つもの﹂ではなく︑そのちょうど中間の﹁曲率ゼロ ︵ か極めてそれに近い値︶を持つもの﹂なのだろうか？

ビッグ・バン宇宙論はこれに答えることができない︒それどころか︑ビッグ・バン宇宙は問題を﹁より悪く﹂するとも言える︒なぜならビッグ・バン以降の宇宙では︑曲率の効果は時間と共により顕著になっていくことが示せるからである︒つまり︑初期の宇宙は﹁極端に平坦﹂でなければならない︒例えば︑初期の宇宙において考えられ得る限りの大きさの三角形を描いたとすると︑現在の観測と矛盾しないためにはその内角の和の１８０度からのずれは１度より数十桁も小さくなければならない︒︵ ち な み に︑一様性 と平坦性 は一見似 て い る よ う に見 え る か も し れ な い

41

負の曲率

正の曲率

平坦
（曲率ゼロ）

図8

が︑独立な性質である︒ これは球面を考えてみれば分かる︒ この２次元空間は完全に一様だが︑正の曲率 を持 っ て い る︒︶

宇宙の持つこれらの性質は何か深遠な事実を示唆しているように思われる︒それは一体何なのだろうか？
ビッグ・バン以前の宇宙︵インフレーション宇宙︶

１９８０年︑アラン・グース ︵現 マ サ チ ュ ー セ ッ ツ工科大学︶は︑これらの謎を解く鍵としてインフレーション理論を提唱した︒︵ そ れ以前 や ほ ぼ同時期 に も︑旧 ソ連 や ヨ ー ロ ッ パ のさ

とうかつひこグループをはじめとする複数 の科学者 がこの理論 のアイデアを部分的 に含 む理論 を発表 している︒

日本 の佐藤勝彦 もそ の一人 であ る︒︶

この理論によれば︑宇宙は高温高密のビッグ・バンの時代に突入する前に︑信じられない程急激な ︵﹁指数関数的 な﹂︶膨張を引き起こしたとされる︒このように急激な膨張は︑宇宙をほぼ完全に平坦かつ一様にしてしまう︒︵ この時 の温度 はゼロ︒︶やがてこの急膨張の時

代は︑それを引き起こす原因となった場のエネルギーが熱エネルギーに変換されることによって終わりを迎える︒そしてこの熱エネルギーは宇宙を高温高密に加熱することになり︑

42

ビッグ・バン宇宙へとつながっていくのである︒

インフレーションによる急膨張が起こった時期は正確には分かっていないが︑宇宙誕生

より 10-38秒から 10-26
秒くらいの間だったと考えられている︒このインフレーションによる爆発的宇宙膨張は︑通常のビッグ・バン宇宙の膨張とは質的に異なるものである︒ビッ

グ・バン宇宙では︑宇宙の２点間の距離は宇宙年齢の﹁べき乗﹂で大きくなっていく︒つ― 例えば１秒― で測った２点間の距離が１００倍まで伸びるためにまりある宇宙年齢

は︑宇宙年齢が数百秒になるまで待たなければならない︒同様に︑元の距離が１万倍まで― すなわち数時間― 程かかる︒

伸びるためには︑数万秒それに対して︑インフレーションでの宇宙膨張は﹁指数関数的﹂である︒つまり︑宇宙の２点間の距離は単位時間 ︵ この場合 インフレーションが始 まった時 の宇宙年齢︶の間に倍増していくのである︒例えば︑もしインフレーションが宇宙年齢１秒に始まったとしよう︒︵実際 はもっと前 だが︒︶その場合︑２点間の距離は１秒後には約２倍︑そのまた１秒後には「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

43

４倍︑そしてそのまた１秒後には初めのサイズの８倍になるのである︒これは元の距離が１万倍まで伸びるのに約 秒しか要しないことを意味する︒
13

この指数関数的な﹁倍々ゲーム﹂がどれほど凄まじいかを実感するために︑厚さ０・１㎜の紙を折っていくことを考えよう︒１回折ると厚さは０・２㎜︑２回折ると０・４㎜︑３回折ると０・８㎜となっていくとして︑何回折れば富士山の高さを超えるであろうか？ 答えは︑たった 回である︒

在の観測できる宇宙全体の大きさ ︵約１３８億光年内 の空間︶に広がるまで10

ら１３８億年 し か経 っ て い な い の だ か ら︑１３８億光年 よ り遠 く を見 る こ と は原理的 に不可能 で部しか見ていないことになる︒︵ ちなみに︑ この制約 は原理的 なものである︒宇宙 が誕生 してか前には極微の領域にすぎなかったことを意味している︒つまり我々は宇宙全体のほんの一広がるのに要した時間はたった 10-24秒程である︒
このような急激な膨張は︑現在我々が見ている宇宙がインフレーションの時代やそれ以からなかったことを意味する︒インフレーションがもっと後︑宇宙年齢 10-26秒程度で始まったとしても︑原子核の大きさ程度の領域が現在我々が認識できる全宇宙の大きさにまで

秒程しか掛
10-36

年齢程度の時間で倍になる︒これは︑もしインフレーションが宇宙誕生から 10-38
秒程度で始まったなら︑原子核の大きさ程度の領域 ︵原子核のサイズは原子の 万分の１くらい︶が現

実際のインフレーションでは︑宇宙の距離のスケールはインフレーション開始時の宇宙

26

44

あ る︒
︶

このように小さな領域しか見ていなければ︑宇宙全体が曲がっていたとしても ︵ つ ま り

曲率 を持 っていたとしても︶それを認識することは難しい︒すなわち︑宇宙は平坦に見えることになる︒︵ こ れ は︑我々 が周 り の大地 を見渡 し て も︑地球 が球状 で あ る こ と を認識 す る こ とができないのと同 じである︒︶同様に︑そのような小さな領域は宇宙全体の構造がどうであれほぼ一様に見えるであろう︒︵例 えば︑ ピカソの絵画 の１ ミリ四方 の領域 だけを拡大 して見 てい
る こ と を想像 し て ほ し い︒︶

このインフレーション理論には極めて重要な帰結が存在する︒先にインフレーションによる急激な宇宙膨張は観測可能な宇宙を平坦かつ一様にすると述べたが︑実はこれには重要な﹁補正﹂が存在する︒それは量子力学の効果によって生じる︒

量子力学とは︑主に極微の世界 ︵例 えば素粒子 の世界︶を記述するのに使われる理論のことで︑我々の直観とは反する様々な現象を予言する︒︵ これは量子力学 が極微 の世界 にのみ当て は ま る理論 で あ る と い う こ と で は な い︒現在︑我々 は量子力学 は自然界 の普遍的 な理論 で あ ると信 じ て い る︒ た だ︑対象 と な る シ ス テ ム が大 き く な る と量子論的 な効果 が小 さ く な り︑近似的「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

45

に我々 の よ く知 る古典力学︑ こ の場合 ア イ ン シ ュ タ イ ン の一般相対性理論 で十分 だ と い う だ け である︒ すなわち対象 が十分大 きな場合 には︑量子力学 の予言 は古典力学 のものと一致 する︒︶現在認識可能な全宇宙はインフレーション期には極微の領域だったのだから︑量子力学的な効果が重要になってくるのである︒

量子力学を特徴づける性質のなかで重要なものの一つに︑粒子は一般に一つの場所に存在することはなく︑同時に様々な場所に確率的に存在するということが挙げられる︒例えば︑よく水素原子を構成する電子は中心にある陽子の周りをまわっているという記述をさ程度の領域に﹁確率的に﹂ 広がって存在しているのである︒
10-10mれることがあるが︑これは本当は正しくない︒この電子 ︵水素原子 を構成 す る電子 は一 つ であ る︶は︑ 陽子の周り︵同様 に陽子 も中心 の一点 に存在 するわけではないが︑ その広 がりは電子 のそれに比 べて小 さいので こ こ で は無視 す る︒︶

量子力学によると︑ある時間に電子がこの領域中のどこどこに存在しているという記述
0

0

0

―
― それは原理的に決定不可能である︒ただ水素原子中の電子を観測しは全く意味がないた場合︑ 10-10mの領域のどこかには存在する︒そして電子を実際どこで観測するかの確率分布は量子力学の方程式によって完全に決定されるのである︒︵残念ながら量子力学の完全な46

解説 は本書 の範囲 を超 え る が︑ も う少 し だ け詳 し い記述︑特 に量子論的 な多世界 に関 す る解説 はま た第５章 で す る︒︶

実はこの量子力学による非決定論的な効果は︑粒子の位置に関してだけでなくより一般に当てはまる効果である︒特に︑インフレーションを引き起こしている場に対しても例外ではなく︑その値はある程度の確率的な広がりを持つ︒これはインフレーションを起こす

場のエネルギーを各点で測った場合︑その値は場所によって確率的に変動するということを意味する︒︵ この確率分布 は量子力学 により正確 に計算 できる︒︶そして︑この変動はインフ

レーションが終わった後には︑場所による熱エネルギー ︵ すなわち温度︑密度︶の変動に変換される︒つまり︑インフレーション後に始まるビッグ・バン宇宙はほぼ一様であるものの︑量子力学の効果を考慮に入れるとその温度︑密度は僅かに変動していなければならないのである︒そしてこれこそが宇宙背景輻射で見つかった初期宇宙の密度揺らぎの起源なのである︒

１９９２年にマザー ︵ＮＡＳＡ︑ アメリカ航空宇宙局︶
︑スムート ︵ カリフォルニア大学バー

ク レ ー校︶等のチームがＣＯＢＥと呼ばれる人工衛星を使って初めて宇宙背景輻射の揺ら「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

47

ぎを発見して以来︑その観測精度は飛躍的に上昇してきた︒２００１年にはＷＭＡＰ衛星︵ＮＡＳＡ及びプリンストン大学︶
︑２００９年にはＰＬＡＮＣＫ衛星 ︵ＥＳＡ︑欧州宇宙機関︶

が打ち上げられ︑現在の我々は宇宙背景輻射の全天の詳細な地図を持っている ︵図９︶︒この地図を詳細に分析し︑インフレーション理論の予言と比較した結果が 図 である︒

これが現在我々が宇宙に関してかなりの確信を持って言えることの概要である︒宇宙は我々の住む宇宙の全貌

バン宇宙以前にインフレーションが起こったということはほぼ間違いないと考えている︒

インフレーション以外の可能性を完全に排除するものではないが︑多くの科学者はビッグ・と理論 の一致 は驚 くべきものである︒︶もちろんこの一致は超初期宇宙で起こったこととしてー シ ョ ン理論 の予言 に は い く つ か の パ ラ メ ー タ が存在 す る が︑ そ れ を考慮 に入 れ た と し て も観測と実線で表されたインフレーション理論の予言の一致は驚異的である︒︵実際 に は イ ン フ レ

は揺らぎの大きさを示している︒ 点で示された観測結果 ︵点 に付随 し た縦棒 は観測 の誤差︶示したもので︑横軸は２点間の距離 ︵地球 か ら見 た時 の角度 で ど れ だ け離 れ て い る か︶︑ 縦軸

この図は大まかに言うと︑異なる２点の間で宇宙背景輻射がどれだけ揺らいでいるかを

10

48

1992

COBE

2001

WMAP

2009

PLANCK
図9

90°

18°

1°

0.2°

0.1°

0.07°

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0

図 10

誕生後 10-38
秒から 10-26
秒くらいの間にインフレーションと呼ばれる急激な膨張を経験し︑その後その膨張に関与したエネル
ギーが熱エネルギーに変換されることによって高温高密なビッ
グ・バン宇宙へと転換した︒そのビッグ・バン宇宙は ︵ イ ン フ
レ ー シ ョ ン期 の膨張 に比 べ れ ば は る か に ま ろ や か で あ る も の の︶更なる膨張によって冷えてゆき︑現在の摂氏マイナス２７０度程度の宇宙になったのである ︵図 ︶︒

我々は宇宙にとって何と取るに足らない存在なのだろうか！

質との大量の対消滅を逃れたほんの僅かな残りカスでしかない︒

クマターを含 めた︶全物質の一部でしかなく︑さらにそれは反物た の で あ る︒ さ ら に︑ 我 々 が 知 る 物 質 は 宇 宙 に 存 在 す る ︵ ダ ー

ぎが後の宇宙で重力により増幅され︑現在見る世界が形作られフレーション期の量子力学的揺らぎであった︒この僅かな揺ら上の生命まで︑現在我々が見る宇宙の全ての構造の起源はイン

この描像によれば銀河団︑銀河︑恒星︑惑星︑さらにはその11

インフレーション

宇宙背景輻射図 1150

この宇宙の歴史を 図 よりは少し科学者っぽい絵で描くことを横に取り︑光の進む経路が 度になるように描くのが一般的で図﹂を描くことがある︒その場合︑時間方向を縦に空間方向を考えてみよう︒物理学者はよく時間と空間を一緒にした﹁時空11ある︒︵ このような図はペンローズ図と呼ばれており︑物事の因果関係 を明白 に す る の で便利 で あ る︒例 え ば︑ あ る一点 で起 こ っ た出来

度 と右上

度 の間 の領域

事 が影響 を及 ぼ し得 る領域 は︑ あ ら ゆ る シ グ ナ ル の速 さ が光速 を超え ら れ な い こ と か ら そ の点 の上方︑左上

45

度 と右下 度 の間 の領域 のみである︒︶これに従って今まで見てに限 ら れ る︒同様 に︑ そ の一点 に影響 を与 え得 る領域 は下方︑左下

45

きた宇宙の歴史を単純に時空図にしようとすると︑ 図 のようになるであろう︒
しかしこの一見問題なさそうな図は︑最新の理論によれば決12

定的に間違っているかもしれないのである︒実際︑これから見

51

45

空間

インフレーション45

光の経路（常に45度に取る）

時間45

宇宙背景輻射ビッグ・バン

図 12

★

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水星

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木星

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ていくマルチバース理論は 図 に示されるのとは全く違う描像を我々に提示することになる︒これは︑この章で見てきた ︵ 図 に

火星

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まとめられるような︶我々の宇宙に関する理解が間違っていると

い う こ と で は な い︒ 問 題 が あ る の は︑ 図 か ら 図 へ の 過 程 である︒
このことは歴史上起こった以下のような出来事と似ているかもしれない ︵図 ︶︒人類が初めて地球が丸いと認識した時︑それ︑が平面でなく球形であることに気付いたまでは良かったが︑それを宇宙の中心に持ってきたのは間違いであった︒ また︑

世紀に学説の中心が天動説から地動説へと動いた時︑太陽を中心とする惑星系の描像は正しく得られたが︑他の星々を太陽と同列なものではなく背景のように考えたのは間違いであった︒
過去１００年あまりの我々の宇宙に関する認識も︑宇宙が静的

太陽

太陽

金星

地球

12

★

恒星天

12

ではなく動的であることは正しく見抜いたが ︵図 ︶︑それがある

月

地球

太陽

11

★

月

地球

木星

木星

月

土星

水星

土星

土星

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11

16

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火星

火星

13

絶対的な時間ゼロに始まり絶対的な空間方向に無限に広がって

11

金星

金星
水星

17

図 13

52

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いるという描像 ︵図 ︶と結びつけられたとすると︑それは正しくないのである︒

以下の章では︑最新の理論物理学が提示する 図 に代わる描像に迫っていくことになる︒

もちろんそのような描像に達するためには︑何かヒントが必要である︒それにはまず我々

12の知る宇宙の仕組みを深く考察していくことが必要になるのである︒「宇 宙」っ て 何 ？

第1章

53

12

君 は、

何 と 闘 う か？
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