著書『ファッション、信仰、ファンタジー、そして宇宙の新しい物理学』

ハブロ住民の皆さん、こんにちは！基礎科学でファッション、信仰、ファンタジーについて話すことは可能ですか?

宇宙は人間のファッションには興味がありません。科学を信仰として解釈することはできません。なぜなら、科学的公準は常に厳格な実験的検証を受けており、教義が客観的現実と矛盾し始めるとすぐに破棄されるからです。そしてファンタジーは一般的に事実と論理の両方を無視します。それにもかかわらず、偉大なロジャー・ペンローズはこれらの現象を完全に否定したくはありません。なぜなら、科学の流行は進歩の原動力となり得るものであり、理論が実際の実験によって確認されるときに信仰が現れるからであり、空想の飛行なしでは人は私たちの奇妙さをすべて理解することはできないからです。宇宙。

「ファッション」の章では、ここ数十年で最もファッショナブルな理論である弦理論について学びます。 「信仰」は、量子力学の基礎となる教義に捧げられています。そして「ファンタジー」とは、私たちが知っている宇宙の起源に関する理論に他なりません。

3.4.ビッグバンパラドックス

まず観察の問題を提起しましょう。セクション 3.1 で提示されたビッグバンの図と一致する、観測可能な宇宙全体がかつて極度に圧縮され、信じられないほど高温になった状態にあったことを示す直接的な証拠は何ですか?最も説得力のある証拠は、ビッグバンとも呼ばれる宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) です。 CMB 放射線は光ですが、波長が非常に長いため、目で見ることはまったく不可能です。この光は四方八方から非常に均等に（しかしほとんど一貫性がなく）私たちに降り注いでいます。これは、温度が約 2,725 K、つまり絶対零度より 3000 度以上高い熱放射を表します。観測された「きらめき」は、ビッグバンから約 379 万 000 年後の、宇宙が最初に電磁放射に対して透明になった最後の散乱の時代に、信じられないほど高温の宇宙 (当時約 1 K) で発生したと考えられています。これはビッグバン (ビッグバン) の爆発ではまったく起こりませんでした。この現象は、宇宙の総年齢の最初の 40/000 (ビッグバンから現在まで) に起こります。最後の散乱時代以来、これらの光波の長さは、宇宙自体が膨張したのとほぼ同じくらい（約 1100 倍）増加したため、エネルギー密度も同様に急激に減少しました。したがって、CMB の観測温度はわずか 2,725 K です。

この放射が本質的にインコヒーレント（つまり熱的）であるという事実は、図に示すその周波数スペクトルの性質そのものによって印象的に裏付けられます。 3.13。特定の各周波数での放射強度がグラフの垂直方向にプロットされており、周波数は左から右に増加します。連続曲線は、セクション 2.2 で説明した、温度 2,725 K のプランク黒体スペクトルに対応します。曲線上の点は、エラーバーが提供されている特定の観測からのデータです。同時に、エラーバーは 500 倍に増加します。そうしないと、たとえ右側であっても、エラーが最大値に達する場所を考慮することが不可能になるからです。理論上の曲線と観測結果の一致は驚くべきものであり、おそらく自然界に見られる熱スペクトルと最もよく一致しています。

しかし、この偶然は何を示しているのでしょうか？明らかに熱力学的平衡に非常に近い状態を考慮しているという事実 (これが、以前にインコヒーレントという用語が使用された理由です)。しかし、新しく創造された宇宙が熱力学的平衡に非常に近かったという事実からどのような結論が得られるでしょうか?図に戻りましょう。 3.12 セクション 3.3 より。最も広範な粗粒領域は、(定義上) 他のそのような領域よりもはるかに大きく、通常は他の領域に比べて非常に大きいため、すべての領域が非常に小さくなります。熱力学的平衡は巨視的な状態に対応しており、おそらくどのシステムも遅かれ早かれこの状態に陥るでしょう。時々、それは宇宙の熱的死と呼ばれますが、この場合、奇妙なことに、宇宙の熱的誕生について話すべきです。生まれたばかりの宇宙が急速に膨張していたという事実によって状況は複雑になっているため、私たちが考えている状態は実際には非平衡です。それにもかかわらず、この場合の膨張は本質的に断熱的であると考えることができます。この点は 1934 年にトールマンによって十分に認識されていました [Tolman, 1934]。これは、拡張中にエントロピー値が変化しなかったことを意味します。 (断熱膨張により熱力学的平衡が維持される場合のこれと同様の状況は、宇宙の特定の体積においてのみ相互に異なる、粗い分割を持つ一連の等体積領域として位相空間で記述することができます。この初期状態は、膨張にもかかわらず、最大のエントロピーによって特徴づけられたと仮定できます!)。

どうやら、私たちは例外的なパラドックスに直面しているようです。セクション 3.3 で提示された議論によれば、第 XNUMX 法則は、ビッグバンが極めて低いエントロピーを有する巨視的状態であることを要求します (そして原理的にはそれによって説明されます)。しかし、CMBの観測は、ビッグバンの巨視的な状態が巨大なエントロピー、おそらくは最大のエントロピーによって特徴づけられたことを示しているようだ。私たちはどこでそんなに深刻な間違いを犯しているのでしょうか？

この矛盾に対する一般的な説明の 3.1 つが次のとおりです。生まれたばかりの宇宙は非常に「小さかった」ため、最大エントロピーにはある程度の制限がある可能性があり、その時点で明らかに維持されていた熱力学的平衡状態は、単にその時点で可能な限界レベルのエントロピーです。しかし、これは間違った答えです。このような図は、宇宙のサイズが何らかの外部制約に依存するという、まったく異なる状況に対応する可能性があります。たとえば、密閉されたピストンを備えたシリンダー内にガスが封入されている場合などです。この場合、ピストン圧力は、外部エネルギー源 (または出口) を備えた何らかの外部機構によって提供されます。しかし、この状況は宇宙全体には当てはまらない。宇宙の幾何学形状とエネルギー、そしてその「全体の大きさ」は内部構造によってのみ決定され、アインシュタインの一般相対性理論の力学的方程式によって支配される。物質の状態を記述する方程式; セクション 3.2 および 3.3 を参照)。このような条件下では (方程式が完全に決定的で時間方向に関して不変である場合 - セクション 3.3 を参照)、位相空間の総体積は時間の経過とともに変化することはありません。位相空間 P 自体は「進化」すべきではないと想定されています。すべての進化は空間 P における曲線 C の位置によって単純に記述され、この場合は宇宙の完全な進化を表します (セクション XNUMX を参照)。

おそらく、宇宙の崩壊が大暴落に近づいている後期の段階を考えれば、この問題はより明確になるでしょう。図に示す、K > 0、Λ = 0 のフリードマン モデルを思い出してください。セクション 3.2 の 3.1a。私たちは現在、このモデルの乱れは物質の不規則な分布から生じており、一部の部分ではすでに局所的な崩壊が発生し、その場所にブラックホールを残していると考えています。そして、この後、いくつかのブラックホールが互いに合体し、最終特異点への崩壊は非常に複雑なプロセスとなることが判明し、理想的な球対称フリードマンの厳密に対称的なビッグクラッシュとの共通点はほとんどないと仮定する必要があります。図に示されているモデル。 3.6a.それどころか、定性的な観点から見ると、崩壊状況は図3.14に示されている巨大な混乱をはるかに彷彿とさせるでしょう。 3.2a;この場合に生じる特異点は、セクション 3.14 の最後で述べた BCLM 仮説とある程度一致する可能性があります。たとえ宇宙が小さなサイズにまで縮小したとしても、最終的な崩壊状態では想像を絶するエントロピーが生じるでしょう。この特定の (空間的に閉じた) 再崩壊フリードマン モデルは現在、私たち自身の宇宙のもっともらしい表現とは考えられていませんが、宇宙定数の有無にかかわらず、同じ考慮事項が他のフリードマン モデルにも当てはまります。そのようなモデルの崩壊バージョンは、物質の不均一な分布による同様の撹乱を経験し、再びすべてを消費するカオス、つまりブラックホールのような特異点に変わるはずです (図 3.14 b)。これらの各状態で時間を逆転させることにより、初期特異点 (潜在的なビッグバン) に到達する可能性があり、それに応じて巨大なエントロピーが存在します。これは、エントロピーの「天井」についてここで行われた仮定と矛盾します (図 XNUMX c)。

ここで、時々考慮される別の可能性について話を進めなければなりません。一部の理論家は、大暴落が近づくにつれて宇宙の総エントロピーが（最大膨張後に）徐々に小さくなるように、このような崩壊モデルでは第二法則が何らかの方法で逆転するに違いないと示唆しています。しかし、そのような状況は、ブラック ホールの存在下で想像するのが特に困難です。ブラック ホールは、一旦形成されると、それ自体がエントロピーを増大させるように働き始めます (これは、事象の地平線近くのゼロ円錐の位置における時間の非対称性に関連しています)。図 3.9 を参照)。これは遠い将来、少なくともブラック ホールがホーキング機構の影響で蒸発するまで続くでしょう (セクション 3.7 と 4.3 を参照)。いずれにせよ、この可能性はここで提示された議論を無効にするものではありません。このような複雑な崩壊モデルに関連しており、読者自身も考えたことがあるかもしれないもう 1998 つの重要な問題があります。ブラック ホールの特異点は同時にまったく発生しない可能性があるため、時間を逆転させてもビッグバンは起こらないでしょう。それは「すべて即座に」起こります。しかし、これはまさに、強力な宇宙検閲の（まだ証明されていないが説得力のある）仮説の特性の 28.8 つです [Penrose、1.7a; PkR、セクション XNUMX]、これによれば、一般的な場合、そのような特異点は宇宙的であり (セクション XNUMX)、したがって XNUMX 回限りのイベントと考えることができます。さらに、強力な宇宙検閲仮説自体の妥当性の問題に関係なく、この条件を満たす多くの解決策が知られており、そのようなオプションはすべて (拡張すると) 比較的高いエントロピー値を持つことになります。これにより、調査結果の妥当性に関する懸念が大幅に軽減されます。

したがって、宇宙の空間的寸法が小さいことを考慮すると、起こり得るエントロピーには必然的に一定の「低い天井」が存在するという証拠は見つかりません。原則として、ブラックホールの形で物質が蓄積し、「ブラックホール」の特異点が単一の特異カオスに融合するプロセスは、第二法則と完全に一致するプロセスであり、この最終プロセスには膨大な量の増加が伴う必要があります。エントロピー的には。幾何学的基準からすると「小さい」宇宙の最終状態は、そのような崩壊する宇宙論モデルの比較的初期の段階よりもはるかに高い、想像を絶するエントロピーを持っている可能性があり、空間的ミニチュア自体は最大値の「天井」を設定しないただし、そのような「天井」（時間の流れを逆転させる場合）は、ビッグバン中にエントロピーが非常に低かった理由を単に説明できる可能性があります。実際、そのような図 (図 3.14 a、b) は、一般的に宇宙の崩壊を表しており、パラドックスの解決策を示唆しています。なぜビッグバン中に、あり得たものと比べて、エントロピーが異常に低かったのかということです。爆発が高温だったという事実（そしてそのような状態は最大のエントロピーを持つはずです）。その答えは、空間均一性からの大きな逸脱が許容される場合、エントロピーが急激に増加する可能性があり、この種の最大の増加はまさにブラック ホールの出現による不規則性と関連しているということです。したがって、空間的に均一なビッグバンは、その内容物が信じられないほど高温であるにもかかわらず、相対的に言えば、エントロピーが信じられないほど低い可能性があります。

ビッグバンが確かに空間的に非常に均質であり、FLRU モデルの幾何学的形状と一致している (ただし、図 3.14c に示されている、より一般的な無秩序な特異点のケースとは一致していない) ことを示す最も説得力のある証拠の 10 つが再び明らかになりました。 RI からの結果ですが、今回は熱力学的な性質ではなく、角度の均一性を考慮しています。この均一性は、RI の温度が空のどの点でも実質的に同じであり、均一性からの偏差は 5-1.3 を超えないという事実で明らかです (周囲の物質を通過する私たちの運動に伴う小さなドップラー効果を調整すると) ）。さらに、銀河やその他の物質の分布にはほぼ普遍的な均一性があります。したがって、かなり大規模なバリオンの分布 (セクション XNUMX を参照) は、顕著な異常、特に目に見える物質の密度が平均より大幅に低いいわゆる空隙があるにもかかわらず、顕著な均一性を特徴としています。一般に、宇宙の過去に遡るほど均一性が高まると主張でき、RI は私たちが直接観察できる物質の分布の最も古い証拠です。

この図は、宇宙の発展の初期段階では確かに宇宙は非常に均質であったが、密度はわずかに不規則であったという見解と一致しています。時間が経つにつれて（そしてさまざまな種類の「摩擦」、つまり相対運動を遅くするプロセスの影響下で）、これらの密度の不規則性は重力の影響下で強化され、これは物質が徐々に凝集するという考えと一致します。時間の経過とともに凝集が増加し、星が形成されます。それらは銀河にグループ化され、それぞれの中心で巨大なブラックホールが発達します。結局のところ、この凝集は重力の避けられない影響によるものです。このようなプロセスは確かにエントロピーの大幅な増加と関連しており、重力を考慮すると、今日RIだけが残っている原始の輝く球が最大エントロピーからはほど遠い可能性があることを示しています。このボールの熱的性質は、図 3.13 に示すプランク スペクトルで証明されています。 XNUMX では、これだけが述べられています。(最後の散乱の時代の) 宇宙を単に相互作用する物質とエネルギーからなるシステムとして考えると、実際には熱力学的平衡状態にあったと仮定できます。ただし、重力の影響も考慮すると、状況は劇的に変わります。

たとえば、密閉された容器内の気体を想像すると、それが容器全体に均一に分布しているときに、その巨視的な状態で最大のエントロピーに達すると考えるのが自然です (図 3.15 a)。この点で、それは空に均等に分布する RI を生成した熱いボールに似ています。しかし、気体分子を重力によって相互に接続された広大な物体系、たとえば個々の星に置き換えると、まったく異なる状況が得られます (図 3.15 b)。重力の影響により、星はクラスターの形で不均一に分布します。最終的に、最大のエントロピーは、多数の星が崩壊するかブラックホールに融合するときに達成されます。このプロセスには長い時間がかかるかもしれませんが（星間ガスの存在による摩擦によって促進されますが）、最終的には、重力が支配的になると、エントロピーが高くなり、物質が系内で均一に分布しなくなることがわかります。 。

このような影響は、日常の経験レベルでも追跡できます。地球上の生命を維持する上で第二法則の役割は何でしょうか?と疑問に思う人もいるかもしれません。私たちは太陽からエネルギーをもらってこの地球上で生きているという話をよく聞きます。しかし、地球全体を考えると、これは完全に正しいというわけではありません。日中に地球が受け取ったほとんどすべてのエネルギーはすぐに再び宇宙、暗い夜空に蒸発してしまうからです。 (もちろん、正確なバランスは、地球温暖化や放射性崩壊による地球の加熱などの要因によってわずかに調整されます。) そうしないと、地球は単純にますます暑くなり、数日以内に居住不可能になってしまいます。ただし、太陽から直接受け取る光子は比較的高い周波数を持ち (スペクトルの黄色の部分に集中しています)、地球は赤外線スペクトルのはるかに低い周波数の光子を宇宙に放出します。プランクの公式 (E = hν、セクション 2.2 を参照) によると、太陽から到着する各光子は、個別に宇宙に放出される光子よりもはるかに高いエネルギーを持っているため、バランスを保つためには、到着する光子よりも多くの光子が地球から出なければなりません (図 3.16 を参照)。到着する光子が少ない場合、入ってくるエネルギーの自由度は少なくなり、出ていくエネルギーの自由度は大きくなります。したがって、ボルツマンの公式 (S = k log V) によれば、入ってくる光子のエントロピーは出ていく光子よりもはるかに小さくなります。 。私たちは植物に含まれる低エントロピーのエネルギーを利用して、自分自身のエントロピーを下げます。つまり、植物や草食動物を食べます。これが地球上の生命が生き残り、繁栄する方法です。 （どうやら、これらの考えは、1967 年にエルヴィン・シュレディンガーによって初めて明確に定式化され、そのとき彼は革命的な本『Life as It Is』を執筆しました [シュレディンガー、2012]）。

この低エントロピーのバランスに関する最も重要な事実は次のとおりです。太陽は完全に暗い空のホット スポットです。しかし、どうしてそのような状況が生じたのでしょうか？熱核反応などに関連するプロセスを含む多くの複雑なプロセスが役割を果たしましたが、最も重要なことは太陽が存在するということです。そしてそれは、太陽物質（他の星を形成する物質と同様）が重力凝集の過程を経て発達したために生じ、すべてはガスと暗黒物質の比較的均一な分布から始まった。

ここで、暗黒物質と呼ばれる謎の物質について言及する必要があります。これは、宇宙の物質（非Λ）含有量の 85% を構成していると思われますが、それは重力相互作用によってのみ検出され、その組成は不明です。今日、私たちはこの問題を、いくつかの数値量を計算するときに必要となる総質量を推定するときに考慮するだけです (セクション 3.6、3.7、3.9 を参照。暗黒物質が果たせる理論上のより重要な役割については、セクション 4.3 を参照)。暗黒物質の問題に関係なく、物質の元の均一な分布の低エントロピーの性質が私たちの生活にとっていかに重要であることが証明されているかがわかります。私たちが理解しているように、私たちの存在は、物質の初期の一様分布の特徴である低エントロピーの重力予備力に依存しています。

ここで私たちはビッグバンの驚くべき、実際、素晴らしい側面にたどり着きます。謎はそれがどのように起こったかだけでなく、それが極めて低いエントロピーの出来事だったという事実にもある。さらに、注目すべきことは、この状況というよりも、ある特定の点においてのみエントロピーが低かったという事実、すなわち、重力の自由度が何らかの理由で完全に抑制されたという事実である。これは、物質および（電磁）放射線の自由度とは顕著な対照をなしている。なぜなら、それらは最大のエントロピーを有する高温状態で最大に励起されるように見えるからである。私の意見では、これはおそらく最も深い宇宙論の謎ですが、何らかの理由でまだ過小評価されています。

ビッグバンの状態がどれほど特別であったか、また重力凝集の過程でどのようなエントロピーが発生する可能性があるかについて、より詳細に検討する必要があります。したがって、まず、実際にブラック ホールにどのような驚異的なエントロピーが内在しているかを理解する必要があります (図 3.15 b を参照)。この問題についてはセクション 3.6 で説明します。しかし今は、次のかなりありそうな可能性に関する別の問題に目を向けましょう。結局のところ、宇宙は実際には空間的に無限であることが判明する可能性があります (K を使用した FLRU モデルの場合のように) 0、セクション 3.1 を参照)、または少なくとも宇宙の大部分は直接観測できない可能性があります。したがって、次のセクションで説明する宇宙論的地平線の問題に取り組みます。

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出所： habr.com