ビッグバン理論:宇宙はどのように始まったのか


ビッグバン理論は、今日目に見える存在のスライバに基づいて宇宙の140億年の物語を再構築するための宇宙論者の最善の試みを表しています。

さまざまな人々がさまざまな方法で "ビッグバン"という用語を使用しています。最も一般的には、それは観測可能な宇宙の弧を示し、それは最初は稠密で熱い状態から間引かれそして冷却された。この説明は、宇宙が拡大しているという考えに帰着します。これは、議論の余地があると考える人はほとんどいないが、生物学における最も適したものの存続に似ています。

より具体的には、ビッグバンはまた、観測可能な宇宙そのものの誕生を指すこともできます – 何かが変わった瞬間、今日に至った出来事をキックスタートします。宇宙論者たちは数十分の一秒のその細部について詳細を論じてきました、そして議論は今日も続きます。 [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

人間の歴史の大部分では、空の観察者はそれが永遠で不変であると仮定しました。エドウィンハッブルはこの物語を1920年代に実験的な打撃を与えたとき、彼の観測は天の川の外の銀河が存在すること、そして彼らの光が引き伸ばされたように見えたことを示しました。

現代のベルギーの物理学者であるGeorgeLemaîtreは、ハッブルらのデータを拡大する宇宙の証拠として解釈した。これはアインシュタインの最近発表された一般相対論の場の方程式によって許される可能性である。後ろ向きに考えて、Lemaîtreは、今日の分離銀河が彼が「原始原子」と呼んだもので一緒に始まったにちがいないと推論しました。

Lemaîtreの考えのための現代用語の最初の公用は実際に評論家 – イギリスの天文学者フレッドホイルから来ました。 1949年3月28日に、ホイルは拡張の希薄化を打ち消すために物質を創り出した永遠の宇宙の彼の好ましい理論の擁護の間にフレーズを造った。 Hoyle氏は、「宇宙のすべての問題は、遠い過去の特定の時間に1つのビッグバンで作成された」という考えは不合理であると述べた。後のインタビューで、ホイルは故意に中傷的な名前を発明することを否定しました、しかし、そのモニカは何人かのフラストレーションに大いに立ち往生しました。

「ビッグバンは本当に悪い言葉です」と、プリンストンの宇宙論者ポールスタインハートは言った。 「The Big Stretchは正しい考えを捉えるでしょう」 Steinhardtによると、爆発の精神的イメージはあらゆる種類の混乱を引き起こします。それは中心点、拡大するフロンティア、そして光の破片が重い塊より速く飛ぶシーンを意味します。しかし、拡大する宇宙はそのようには見えない、と彼は言った。中心も縁もなく、大小すべての銀河が同じように引き離されます(ただし、遠方の銀河は宇宙論的に最近の暗黒エネルギーの影響でより早く移動します)。

その名前に関係なく、ビッグバン理論は私たちが見るものを説明するその比類のない能力のために広く受け入れられていることを見出しました。例えば、最初の3分間の陽子や中性子のような粒子との光のバランスは、初期元素をヘリウムや他の軽原子の現在の量を予測する速度で形成させます。

ニューヨーク大学の宇宙論者、グレンニス・ファラーは、次のように述べています。 「その後、宇宙は拡大し続け、お互いを見つけることができなくなりました。 [the window] 暑すぎた」

さらに涼しくなるまで電子と陽子が中性の水素原子を形成し、霧がクリアになるまで、曇りのプラズマが次の37万8000年間宇宙を満たしていました。この過程で放出された光は、マイクロ波に広がって以来、研究者が直接研究できる最も初期の既知の物体です。宇宙マイクロ波背景(CMB)放射として知られている、多くの研究者はそれがビッグバンのための最も強い証拠であると考えます。

しかし、宇宙論者たちが宇宙の最初の瞬間にさらに押し戻したとき、物語は解明されました。一般相対論の方程式は、無限の熱と密度の初期の斑点 – 特異点 – を示唆した。多くの物理的な意味を成さないことに加えて、特異な起源は滑らかで平らなCMBと一致しませんでした。斑点の手に負えないほどの温度と密度の変動は、さまざまな性質を持つ空の帯を生み出したでしょうが、CMBの温度はほんの一度だけ変化します。時空間の曲率もまた非常に平らに見えます。これは、最初は物質と曲率のほぼ完璧なバランスを意味します。

アラン・グースは1980年代に1秒の1分の1の新しい絵を提案しました、そしてそれは宇宙がそれが今日より指数関数的に速く成長するその最も早い瞬間を過ごしたことを示唆しています。ある時点で、このプロセスは停止し、ブレーキをかけると、特異点の代わりとなる高密度で熱い(ただし無限にそうではない)粒子の混乱が生じました。 「私の頭の中では、宇宙が熱くなったとき、私はそれをビッグバンとして考えています」とFarrarは言った。

インフレ理論は、呼ばれるように、今では競合するモデルがたくさんあります。何が宇宙をそれほど急速に拡大させたのかについては誰も知りませんでしたが、この理論は、一見ありそうもない特徴のないCMBを説明する能力で人気が高まりました。スタインハート氏は、「これは非常に素晴らしい話だ」と語った。 「それは私たちが子供たちに話すものです。」

最近の研究はインフレーション理論の宇宙物語に2つのしわをもたらしました。 Steinhardtらの研究は、インフレーションはいくつかの地域(私たちの観測可能な宇宙のような)では止まっていたが、Steinhardtが述べているように「考えられるあらゆる宇宙論的性質のセット」を持つ別々の領土を生み出していた。多くの物理学者は、この「多元的な」描写は不愉快だと思っています。なぜなら、それはテスト不可能な予測を無限にするからです。

実験的には、宇宙論者は、わずかな温度と密度の変化があるように、インフレーションがCMB内に銀河にまたがる重力波を生成するはずであると予想します。現在の実験はそれらを見つけるのに十分敏感であるべきですが、原始時空波紋は現れませんでした(2014年に1つの誤った警報にもかかわらず)。

多くの研究者は、いまだに存在している多くのインフレーションモデルを殺し、または検証することができる、より正確なCMB測定値を待っています。しかしながら、他の物理学者たちは、宇宙の滑らかさを問題とはまったく考えていません – それは一様なものから始まり、説明を必要としません。

実験主義者は新しいレベルの精度を求めて努力しているが、いくつかの理論家はインフレを避けて宇宙を平らに潰すための他の方法を模索している。例えばSteinhardtは、時空をスムーズにして爆発的な拡大の段階を設定する収縮のより早い期間に、さらに開始クロックを押し戻す「ビッグバウンス」モデルに取り組んでいます。彼は、間もなく、原始的な重力波の欠如のような問題に加えて、新しいシグネチャが宇宙論者に新しい創造物語を提示することを期待しています。 「他に観察できる注目すべき機能はありますか?」スタインハートは言った、「数年後にもう一度聞いてください、そして私は答えがあることを望みます」。

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