Battle of the Big Bang
The New Tales of Our Cosmic Origins
2025年刊
Niayesh Afshordi/Phil Halper著
著者の経歴
ニヤイェシュ・アフショルディは、カナダのウォータールー大学物理学・天文学科教授であり、ペリメーター理論物理学研究所の兼任研究員である。宇宙論、一般相対性理論、ブラックホール、重力、宇宙初期の物理学を研究し、ビッグバン以前の宇宙を説明する新しい理論の構築にも取り組んでいる。
フィル・ハルパーは、英国王立天文学会フェローの科学解説者であり、ロンドンを拠点に活動している。宇宙論の研究者へのインタビューを中心とするYouTubeシリーズBefore the Big Bangを制作し、ホーキング、ペンローズ、グースらへの取材を重ねてきた。本書は、理論物理学者の専門知識と科学ジャーナリストの取材成果を融合させた共同著作である。
本書の内容
1.宇宙に始まりはあるか
宇宙はいつ、どのように誕生したのかという疑問は、人類が古代から考え続けてきた最も根源的な問題の一つである。古代ギリシャの哲学者たちは、宇宙が永遠に存在してきたのか、それともある時点で誕生したのかについて議論し、アリストテレスは宇宙を永遠の存在と考えたが、近代科学の成立によって宇宙の起源は観測と数学によって検証すべき問題へと変化した。20世紀初頭、アインシュタインの一般相対性理論が登場すると、宇宙全体の構造や時間の変化を数学的に記述できるようになり、フリードマンやルメートルは宇宙が膨張または収縮する可能性を示した。その後、ハッブルらの観測によって遠方の銀河ほど大きな赤方偏移を示すことが明らかになり、宇宙膨張の考え方が支持されるようになった。更に1965年にはペンジアスとウィルソンが宇宙マイクロ波背景放射を発見し、宇宙がかつて極めて高温・高密度の状態にあったことを裏付ける重要な証拠が得られた。こうして約138億年前の高温・高密度状態から宇宙が膨張し、冷却してきたとするビッグバン宇宙論が確立された。しかし、著者は、ここで説明されたのは宇宙の初期の進化であって、宇宙が文字どおり無から誕生したことまで証明された訳ではないと指摘する。現在の物理学では、宇宙の極めて初期の状態を完全には記述できず、時間や空間が本当にその時点で始まったのかという問題は未解決のままである。したがって、ビッグバン宇宙論が科学的に強く支持されていることと、宇宙の絶対的な始まりが解明されたことは、明確に区別しなければならない。
2.インフレーション宇宙
ビッグバン宇宙論が成功を収める一方、宇宙の大規模な構造には説明を必要とする問題が残された。例えば、宇宙マイクロ波背景放射を観測すると、空の異なる方向から届く放射の温度は驚くほど均一であるが、通常の宇宙膨張だけを考えると、互いに十分な情報交換ができなかった領域がなぜほぼ同じ温度になったのかを説明することが難しい。また、宇宙の空間的な曲率がほぼゼロであることや、現在の銀河分布につながる初期の微小な密度の揺らぎがどのように生まれたのかという問題も存在する。1980年代初頭、物理学者アラン・グースらが発展させたインフレーション理論は、宇宙が極めて初期に急激な加速膨張を経験したと考えることで、これらの問題を説明しようとした。インフレーションが起きれば、元々小さかった領域が巨大な宇宙へと引き伸ばされ、観測される宇宙の均一性や平坦性を自然に理解できる可能性がある。また、量子力学的な微小な揺らぎが宇宙規模に拡大され、後の銀河や銀河団の形成につながったと考えられる。しかし、インフレーションを引き起こした物理的な仕組はまだ確定しておらず、様々なモデルが提案されている。著者は、インフレーションが現代宇宙論の有力な枠組であることを認めながらも、その成功が宇宙の起源に関する全ての疑問を解決した訳ではないと強調する。
3.無から生まれる宇宙
宇宙が有限の過去に始まったとすれば、その前には何があったのかという疑問が生まれるが、そもそも時間が宇宙とともに成立したのであれば、宇宙が誕生する前という表現自体が意味を持たない。ホーキングとハートルが提案した無境界仮説は、量子力学と一般相対性理論を組み合わせることで、宇宙が通常の意味での時間的な始点を持たない可能性を示そうとした。この考え方では、宇宙の極めて初期において時間と空間の区別が通常とは異なる形になり、地球の北極より北が存在しないのと同じように、宇宙の始まり以前という問いが成立しなくなる可能性がある。一方、ビレンキンらは、量子トンネル効果を利用して宇宙が量子的な意味での無から出現するモデルを提案した。しかし、ここでいう無は、日常的な意味での完全な非存在と同じではなく、量子力学の法則や数学的な枠組を前提としている。したがって、これらの理論が宇宙の創造を完全に説明したと考えることはできない。著者は、ホーキング自身の考え方の変化も取り上げながら、宇宙の始まりを説明するためには、時間とは何か、物理法則は宇宙の外部にも存在するのかという、物理学と哲学の境界にある問題に向き合わなければならないと論じている。
4.多元宇宙という可能性
私たちが観測している宇宙は、唯一の宇宙ではなく、無数に存在する宇宙の一つにすぎないのではないかという考え方が、多元宇宙論である。この仮説は単なる空想から生まれたものではなく、インフレーション理論や量子力学、弦理論などの一部のモデルから導かれる可能性として研究されている。特に永遠のインフレーションと呼ばれる考え方では、宇宙のある領域でインフレーションが終わり、通常の宇宙が形成されても、別の領域では急膨張が続き、そこから新たな宇宙が次々に生まれる可能性がある。この場合、私たちの宇宙は巨大な多元宇宙の中に存在する一つの領域となり、異なる宇宙では物理定数や粒子の性質が異なるかもしれない。また、多元宇宙論は、なぜ私たちの宇宙が生命の存在を許すような物理定数を持っているのかという問題にも、新しい説明を与える可能性がある。しかし、他の宇宙が原理的に観測できないのであれば、その存在を科学的に検証できるのかという深刻な問題が生じる。著者は、多元宇宙論を魅力的な可能性として紹介しながらも、それが観測によって確立された事実ではないことを明確にしている。重要なのは、理論的に考えられることと、自然界に実在することが確認されたことを区別し、どのような観測によって仮説を検証できるのかを問い続けることである。
5.弦理論と高次元宇宙
現代物理学には、重力を説明する一般相対性理論と、素粒子の振る舞いを説明する量子力学という二つの大きな理論が存在するが、宇宙の極めて初期のように重力と量子効果の両方が重要になる状況では、両者を統一した理論が必要となる。その有力な候補の一つが弦理論であり、電子やクォークなどの素粒子を点ではなく、極めて小さな振動する弦として捉えることで、自然界の基本的な力を統一的に説明しようとする。弦理論では、私たちが日常的に認識している三次元の空間と一次元の時間だけではなく、更に多くの次元が存在する可能性が考えられている。この枠組から発展した宇宙論の一つが、ブレーンと呼ばれる高次元空間内の膜状の世界が衝突することで、ビッグバンに相当する現象が生じるというモデルである。例えば、私たちの宇宙が高次元空間に存在する膜のような構造であり、別の膜との衝突によって膨大なエネルギーが生み出されたとすれば、ビッグバンは宇宙の絶対的な始まりではなく、より大きな物理的過程の一部として理解できる可能性がある。しかし、弦理論やブレーン宇宙論を直接裏付ける決定的な観測証拠は得られていない。著者は、数学的に美しい理論が必ずしも自然界の正しい説明であるとは限らないことを示し、理論物理学の創造力と実験的検証の重要性を対比させている。
6.宇宙は跳ね返るのか
ビッグバンが宇宙の絶対的な始まりではなく、それ以前に存在した宇宙が収縮から膨張へと転じた瞬間だったとする考え方が、ビッグバウンス理論である。通常の一般相対性理論では、宇宙の膨張を過去へとさかのぼると、密度や曲率が極端に大きくなり、古典理論では扱えない特異点に到達する可能性がある。しかし、この特異点は現実に無限の密度が存在したことを意味するのではなく、一般相対性理論がその条件では十分に機能しなくなることを示しているのかもしれない。そこで研究者たちは、重力にも量子力学の効果を取り入れれば、宇宙の収縮が無限に進む前に新しい物理的な作用が現れ、収縮から膨張へと転換する可能性があると考えた。特にアベイ・アシュテカーらが発展させたループ量子宇宙論では、空間に量子的な構造が存在すると仮定し、極端に高い密度では量子重力の効果によって宇宙の崩壊が止まり、再び膨張に転じるモデルが研究されている。この場合、私たちがビッグバンと呼んでいる出来事は、無からの創造ではなく、それ以前に存在した宇宙から新しい膨張段階への移行となる。更に興味深いのは、宇宙が収縮していた時代の物理的な痕跡が、現在の宇宙マイクロ波背景放射や銀河分布に残っている可能性である。
7.永遠に循環する宇宙
宇宙が一度だけ誕生して終わるのではなく、膨張と収縮、あるいは異なる宇宙段階への移行を繰り返しているという考え方が循環宇宙論である。この発想は古代の哲学にも見られるが、現代物理学では数学的な宇宙モデルとして研究されている。スタインハートやテュロックらが提案した循環宇宙モデルでは、宇宙が長い時間をかけて進化し、次の段階へと移行する過程で、新しいビッグバンに相当する現象が生じる可能性が考えられている。また、ペンローズが提案した共形循環宇宙論では、宇宙が極めて遠い未来に到達した状態と、次の宇宙の初期状態とを数学的に結びつける可能性が探究されている。この考え方では、私たちの宇宙は無数に続く宇宙の時代の一つであり、宇宙の歴史に絶対的な最初の瞬間が存在しない可能性がある。しかし、循環宇宙論には重大な難問がある。それが熱力学第二法則（※孤立した系ではエントロピーが減少しないという原理）である。宇宙が同じような周期を繰り返すとすれば、過去の周期で増大したエントロピーをどのように扱うのかを説明しなければならない。また、現在の宇宙は加速膨張しているため、将来どのように収縮や次の宇宙段階へ移行するのかという問題も存在する。著者は、循環宇宙論を単なる永遠回帰の思想としてではなく、時間、熱力学、重力の関係を再検討する科学的な試みとして紹介する。宇宙の誕生を一度きりの出来事と考える必要があるのかという問いは、時間の本質を理解するための重要な手がかりとなる。
8.ブラックホールと宇宙
宇宙の誕生を説明する更に大胆な仮説として、本書はブラックホールの内部から新しい宇宙が生まれる可能性を取り上げる。ブラックホールは、非常に強い重力によって光さえ外部へ脱出できなくなる領域であり、一般相対性理論では、その内部に特異点が現れると予測される。しかし、量子重力の効果によって特異点が回避されるとすれば、ブラックホールの内部で物質や時空が新しい膨張段階へ移行し、別の宇宙が形成される可能性を考えることができる。こうしたモデルでは、私たちの宇宙が、より大きな宇宙に存在したブラックホールから誕生したという解釈も可能になる。物理学者スモーリンは、ブラックホールから新しい宇宙が生まれるという仮説を発展させ、宇宙ごとに物理定数がわずかに変化するとすれば、ブラックホールを多く形成できる性質を持つ宇宙が増えていくという宇宙論的自然選択の考え方を提案した。これは、生物の進化における自然選択を宇宙の生成過程に応用する大胆な構想である。また、アフショルディ自身も、高次元のブラックホールと宇宙の誕生を結びつける理論研究に関わってきた。しかし、ブラックホール内部の物理現象を直接観測することは極めて難しく、これらの仮説が現実の宇宙を説明しているという確証はない。著者は、ブラックホールを単なる物質の終着点としてではなく、新しい宇宙の誕生に関わる可能性を持つ存在として捉えることで、宇宙の始まりと終わりの関係を問い直している。
9.光速と宇宙の構造
宇宙の起源を巡る研究では、一般相対性理論や量子力学だけでなく、光の速度や空間の次元についての基本的な前提を再検討する試みも行われている。アインシュタインの特殊相対性理論では、真空中の光速は普遍的な定数であり、現代物理学の重要な基礎となっている。しかし、一部の研究者は、宇宙の極めて初期には光の伝わり方や有効な伝播速度が現在とは異なっていた可能性を検討している。例えば、マゲイジョらが研究した可変光速理論は、初期宇宙で光の伝播条件が異なっていたと仮定することで、宇宙の均一性などの問題を説明しようとする。また、宇宙の空間が本当に三次元なのかという問題も研究されている。ホログラフィック原理は、ある空間領域の物理的な情報が、その境界面に記述できる可能性を示す考え方であり、ブラックホールの熱力学や量子重力の研究から発展してきた。特定の理論的な条件では、高次元の重力理論と低次元の量子理論が数学的に対応することが示されており、私たちが経験する空間が、より根本的な情報や量子的な関係から現れる可能性も議論されている。著者は、宇宙の始まりを理解するためには、物質やエネルギーの起源だけでなく、空間、時間、光速、次元という物理学の最も基本的な概念を再検討する必要があると論じている。
10.宇宙論の未来
本書の最終的な関心は、数多くの宇宙起源論の中から、どのようにして科学的に正しい説明を見いだすことができるのかという問題に向けられている。現在の宇宙論は、宇宙の膨張、宇宙マイクロ波背景放射、軽元素の存在量、銀河の大規模構造など、多くの観測事実を説明することに成功しているが、ビッグバンの最初期に何が起きたのか、インフレーションが本当に存在したのか、時間に始まりがあるのかといった問題については、決定的な答えが得られていない。そこで著者が注目するのが、観測技術の進歩によって宇宙の更に古い情報を取り出す可能性である。宇宙マイクロ波背景放射は、ビッグバンから約38万年後の宇宙の姿を伝えているが、それ以前の宇宙は光に対して不透明だったため、通常の電磁波によって直接観測することは難しい。しかし、重力波であれば、宇宙の極めて初期に生じた時空の揺らぎが現在まで伝わっている可能性がある。将来の宇宙重力波観測計画であるLISAや、更に高い周波数帯を対象とする構想であるDECIGO、Big Bang Observerなどは、初期宇宙の物理を調べる新しい手段として期待されている。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による初期銀河の観測も、宇宙の形成史を理解する上で重要な情報を提供しているが、それだけで宇宙誕生の瞬間を解明できる訳ではない。著者は、宇宙の起源を巡る論争を、科学者たちが互いに対立する不毛な争いとしてではなく、異なる理論を観測と数学によって検証しながら、自然界の理解を深めていく科学の本質的な営みとして描いている。宇宙が有限の過去に誕生したのか、永遠に存在してきたのか、あるいは私たちの想像を超えた構造を持っているのかという問題は、今後の科学によって新しい答えが与えられる可能性がある。
本書が言いたかったこと
現代宇宙論が驚くほど多くの事実を解明した一方で、宇宙の本当の起源については、なお決定的な答えを持っていない。約138億年前に宇宙が極めて高温・高密度の状態にあったことは多くの観測によって裏付けられているが、それが時間と空間の絶対的な始まりだったのか、それ以前にも何らかの宇宙が存在したのかは分かっていない。宇宙が無から誕生したという仮説も、永遠に循環するという仮説も、現段階では確立された科学的事実ではない。著者が重要視するのは、一つの理論を最終的な真理として信じることではなく、異なる可能性を自由に探究し、その正しさを観測によって検証しようとする科学の姿勢である。宇宙の起源を理解するためには、一般相対性理論と量子力学を統合する新しい物理学が必要になる可能性が高く、時間や空間という概念自体が根本から変わるかもしれない。また、宇宙の始まりを問うことは、なぜ何もないのではなく何かが存在するのかという、人類が古代から抱いてきた哲学的な疑問にもつながっている。本書は、科学の価値が全ての答えを知っていることにあるのではなく、未知の世界に対して想像力と批判的精神を持ち続けることにあると教えている。