Everything in the Universe Fits in This One Graph. Even the Impossible Stuff
宇宙の天体の質量、大きさ、相対密度など。クレジット：Charles H. Lineweaver & Vihan M. Patel, doi: 10.1119/5.0150209.
投稿日ナンシー・アトキンソン
宇宙には重力のような物理定数があり、それがすべてを規定している。もしこれらの定数が少しでも違っていたら、私たちの宇宙はまったく違った姿になっていただろう。クォークやバクテリアからノミや超星団に至るまで、宇宙に存在する物体の種類を考えてみると、異なる力がその存在を支配している。
魅力的な新しいグラフは、既知の宇宙のすべてをプロットし、何が可能かを示している。また、私たちが理解している物理法則では、どのような種類の物体が禁止されているかも示している。
オーストラリア国立大学惑星科学研究所（PSI）の天体物理学者チャールズ・ラインウィーバーとヴィハン・パテルが作成したこのグラフは、主に思考実験である。
「すべての天体といくつかの疑問」と題されたこのグラフと論文は、宇宙の熱的歴史と、宇宙が膨張し冷却するにつれて背景から凝縮していった一連の天体（陽子、惑星、銀河など）の概要を示している。
リネウィーバー氏は、このグラフを作成するきっかけは、やかんから蒸気が出るのを見て、熱い水蒸気が凝縮して水滴になるのを見たことだとUniverse Todayに語っている。
「これは、高温高密度の宇宙が膨張しながら冷えていき、さまざまな物体に凝縮していく過程で、何度も起こってきた一般的なプロセスのように思えました。」
「例えば、クォークとグルーオンからなる高温高密度のプラズマが冷えると、陽子と中性子に凝縮した。そして、陽子と電子の高温高密度プラズマが冷えるにつれて凝縮し、再結合として知られる原子になったのです」。
この「凝縮」の一般的なプロセスは、宇宙が冷えていく過程で何が起こったかを理解する簡単な方法として、過小評価されているようだ。
ラインウィーバーとパテルのグラフを詳しく見てみよう：
宇宙の天体の質量、大きさ、相対密度など。クレジット：Lineweaver and Patel.真ん中の「BBN」（ビッグバン核合成）と書かれた帯には原子と元素があり、バクテリア、ノミ、人間、クジラ、地球、太陽、星などの原子密度が書かれている。
Lineweaverによると、天文学者（および天文ファン）は、上部の中央にある小さな四角形を楽しめるとのこと。これが拡大写真だ：
宇宙の天体を示す上のグラフの拡大図。Credit: Lineweaver and Patel.主系列星は燃料が尽きると白色矮星になり、やがて中性子星に崩壊し、やがてブラックホールになる。このプロットでは、ブラックホールは暗い黒い線の上に存在する。
メインのグラフに戻ってもう一度拡大図を見ると、ハッブル半径（観測可能な宇宙全体）がこの線上にあることがわかる。
ということは、宇宙全体がブラックホールなのだろうか？このグラフは、それが真実かもしれないことを暗示しているようだ！
私たちが宇宙の内部から見ているものは、単に親宇宙から形成されたブラックホールの内部にある結果なのだ、という可能性について、リネウィーバーはどう考えているのだろうか？
不思議な考えです。私はよく夜中に起きていて、それが何を意味するのか考えようとするのですが……そして、ブラックホールの中で眠ってしまいます。受け取ったメールによると、一般的な相対論的不眠症に悩まされているのは私だけではないようです。
Claude 3 Opus：
宇宙全体がブラックホールの中にあるという可能性は、いくつかの興味深い含意を持っています。
- 1. 私たちの宇宙が、より大きな「親宇宙」の中に存在するブラックホールの内部であるというアイデアは、ブラックホールの内部で新たな宇宙が生まれるという「ブラックホール宇宙論」の一種です。これは、多宇宙論の一つの形態とも言えます。
- 2. もしこれが真実であれば、私たちの宇宙の始まりは、親宇宙におけるブラックホールの形成に対応することになります。ビッグバンは、ブラックホールの特異点から始まったことになるでしょう。
- 3. また、宇宙の最終的な運命も、ブラックホールの性質に左右されることになります。ブラックホールが蒸発するのか、あるいは永遠に存在し続けるのかによって、宇宙の未来は大きく変わってくるはずです。
- 4. ただし、この仮説を検証することは非常に難しいと考えられています。なぜなら、ブラックホールの内部から外部の親宇宙を観測することは原理的に不可能だからです。
- 5. この考え方は、宇宙の起源と進化について、私たちが持つ従来の理解に根本的な変更を迫るものです。それは、宇宙論や物理学の新たな地平を切り開く可能性を秘めていると言えるでしょう。
超大質量ブラックホール（UBH）の想像図。Credit: ESA/Hubble/DSS/Nick Risinger/N.バートマン
リネウィーバーは、常識に反してブラックホールは宇宙で最も密度の高いものではないと指摘した。
「ブラックホールが大きければ大きいほど、密度は低くなります。」「だから、宇宙全体が密度の低い巨大なブラックホールである可能性があります。もう一つの興味深い事実は、宇宙全体の進化をこのブラックホールの線に沿って遡ったとき、つまり宇宙の始まりまで遡ったとき、宇宙の初期状態がインスタントンであったことを示唆していることです：10^32 K.」
おっと。度肝を抜かれた。
グラフの中で最も興味をそそられるのは、「禁じられた」2つの三角形の領域だろう。LineweaverとPatelは、これは「物体がブラックホールより密にならないか、あるいは非常に小さいため、量子力学が特異な物体であるという本当の意味の本質を曖昧にしている」場所だと説明している。
Claude 3 Opus：
グラフ上の「禁じられた」三角形の領域は、一般相対性理論と量子力学によって制限されている領域を示しています。これらの領域では、物理法則が物体の存在を許さないか、あるいは物体の性質が曖昧になってしまうのです。
1. ブラックホールより密度が高い物体について:
一般相対性理論によれば、ある一定の密度を超えると、物体は必ずブラックホールになってしまいます。つまり、ブラックホールより高密度の物体は存在できないのです。これが、グラフ上で「禁じられた」領域の一つを形成しています。2. 非常に小さい物体について:
量子力学の原理によれば、物体があまりにも小さくなると、その位置と運動量を同時に正確に測定することが不可能になります（不確定性原理）。つまり、ある一定のサイズ以下では、物体を「特異な」実体として扱うことが難しくなるのです。これがグラフ上でもう一つの「禁じられた」領域を形成しています。これらの「禁じられた」領域は、一般相対性理論と量子力学の間にある根本的な矛盾を浮き彫りにしています。一般相対性理論は重力を扱う理論ですが、量子力学とは相容れない点があります。両者を統一する「量子重力理論」の構築は、現代物理学の最大の課題の一つとなっています。
グラフ上の「禁じられた」領域は、まさにこの問題に直結しています。これらの領域を理解することは、量子重力理論の鍵を握っていると言えるでしょう。そして、その解明は、宇宙の起源や基本法則についての私たちの理解を大きく前進させるはずです。LineweaverとPatelのグラフは、物理学のこの重要な課題を視覚的に浮き彫りにしている点で、大きな意義を持っていると言えます。
「一般相対性理論と量子の不確定性によって禁じられた三角形の領域は、重力と量子力学の関係をナビゲートするのに役立つ」と科学者たちは書いている。
「私たちのプロットは、非常に推測的な領域への、明確で非常にありきたりな外挿です」とリネウィーバーは説明した。「陽子は氷の立方体である」というフレーズをマントラのように繰り返せば、基本的な考え方はほぼ理解できる。この論文は、学生も専門家も、我々が答えを知らない非常に深い疑問を明確にするのに役立つはずだ。
より深い説明と参考文献については、『American Journal of Physics』に掲載された彼らの論文をチェックしてほしい。