インフレ-ション宇宙論:我々の宇宙はマルチバースの一部か? (2)

MITのmooc の"The Early Universe"のスライド資料、具体的には Inflationary Cosmology: Is Our Universe Part of a Multiverse? Part Ⅰの後半を読みます。

インフレ-ションの証拠

1)地平線問題(大規模な均一性)。
宇宙背景放射は、温度が100,000分の1まで均一である。 それは宇宙年齢が約40万年に発された。 インフレ-ションのない標準宇宙論では、この均一性を確立するメカニズムは、光の速度の約100倍でエネルギーと情報を送信する必要がある。
インフレーション解:
インフレーションモデルでは、宇宙は非常に小さく始まり、均一性が容易に確立される。まるで講義室の空気が均一に満たされるように広がる。 次に、インフレーションは、目に見える宇宙を含むのに十分な大きさに領域を引き伸ばす。

2)平坦性問題:
なぜ初期の宇宙はとても平坦だったのか?
平坦」とはどういう意味か?
 ★平坦は2次元を意味しない。
 ★平坦はユークリッドを意味する。これは、アインシュタインの一般相対性理論でも許されている非ユークリッド曲線空間とは対照的である。
 ★3次元の曲面は視覚化が困難であるが、下に示す2次元の曲面に似ている。
宇宙の形.jpg
 ★一般相対性理論によると、宇宙の平坦性はその質量密度に関連している。

  Ω(オメガ) = 実際の質量密度 / 臨界質量密度

 ここで、「臨界密度」は膨張率に依存する。 Ω= 1は平坦、Ωが1より大きい場合は閉じており、Ωが1より小さい場合は開いている。

 ★臨界密度の宇宙は、先端でバランスをとる鉛筆のようなものである。
鉛筆.jpg
 ★初期宇宙のΩが1をわずかに下回ると、急速にゼロになり、銀河は形成されない。
 ★Ωが1よりわずかに大きければ、無限に急速に上昇し、宇宙は再び崩壊し、銀河は形成されない。
 ★今日測定する臨界密度に近づくには、ビッグバンの1秒後に、Ωは小数点以下1〜15桁に等しくなければならない。
 ★インフレーション解:
  インフレーションが重力を反発させるので、Ωの進化にもインフレーションがかかっている。Ωは非常に急速に1に向かっていて、ほとんどすべての値から開始できる。
 ★インフレーションが初期宇宙の平坦性を説明するメカニズムはほぼ常に行き過ぎるので、今日でも宇宙は臨界密度を持つべきだと予測する。
 ★1998年まで、観測はΩ≈0.2–0.3を示していた。
 ★プランク衛星による最新の観測(他の天体観測と組み合わせて):
   Ω= 1.0010±0.0065
 ★新しい成分:ダークエナジー。 1998年に、過去50億年の間、宇宙の膨張が加速していることが発見された。 「暗黒エネルギー」は、これを引き起こすエネルギーである。

3)小規模なゆらぎ
 宇宙背景放射で測定できる。強度は空全体でほぼ均一だが、小さな波紋がある。これらのリップルは100,000分の1のレベルに過ぎないが、これらの不均一性は現在検出可能である!彼らはどこから来たのか?
 インフレーション解
 インフレーションはこれらの波紋を量子ゆらぎに帰す。インフレーションは、これらのリップルのスペクトル(つまり、強度が波長によってどのように変化するか)の一般的な予測を行う。これまでに測定されたデータは、インフレーションと美しく一致している。
CMB.jpg

ユニバースからマルチバース

 ★インフレーションを引き起こす反発重力材料は準安定である。 どの場所でも、膨らんだ状態にとどまる確率は時間とともに減少する。通常は指数関数的である。
 ★しかし、その間に宇宙は指数関数的に拡大している。インフレーションの成功したバージョンでは、指数関数的拡大は指数関数的減衰よりも高速である! したがって、  膨張する材料が腐敗している場合でも、膨張する体積は時間とともに増加する!
 ★インフレーションは永遠になります-一度始まると、決して止まらない。膨張領域は決して消滅しないが、その断片は崩壊し、「ポケット宇宙」を無限に生成する。
 ★1つの宇宙の代わりに、インフレーションは無限の数を生み出す—多元宇宙

暗黒エネルギー 宇宙のキーミステリー

1998年、天文学者は、宇宙が過去50億年間(140億年の歴史のうち)加速していることを発見した。
含意:インフレーションが今日起こっているので、今日の宇宙は反発重力物質で満たされている。 (一般相対性理論では、これには負圧が必要である。)明らかに空間を埋める反発重力物質は、「暗黒エネルギー」と呼ばれる。
暗黒エネルギーとは? 誰が知っているのか?
簡単な説明:暗黒エネルギー=真空エネルギー。宇宙定数とも呼ばれる。

暗黒エネルギーの悪夢

 ★量子真空は空にはほど遠いので、ゼロでないエネルギー密度は問題ない。
 ★場の量子論では、量子ゆらぎのエネルギー密度は発散する。 すべての波長が寄与し、最短波長はない。
 ★変動のもっともらしいカットオフはプランク長、〜10〜33 cm、量子重力のスケールである。
 ★このカットオフを使用すると、推定真空エネルギー密度が大きすぎる。120桁も大きすぎる! ウヘッ!

弦理論の風景

 ★弦理論の始まり以来、理論家は弦理論の真空を見つけようとしたが、成功しなかった。
 ★過去10年ほどの間に、ほとんどの弦理論家は独特の真空は存在しないと信じてきた。
 ★代わりに、長寿命の準安定状態が10 ^ 500個ある可能性があり、そのどれもがポケットユニバースの基盤となる可能性がある。 これが風景である!
 ★永遠のインフレーションは、おそらくあらゆる種類の無限の数のポケット宇宙を生み出し、風景を埋めることができる。
 ★弦理論はどこでも支配するであろう。 各タイプの真空には、独自の低エネルギー物理学がある。独自の「標準モデル」、独自の「定数」、独自の真空エネルギー密度である。

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