未解決の弦理論は流れを変え、宇宙を崩壊から救うことができるでしょうか?

弦理論は宇宙を壊滅的な相転移から救うことができるでしょうか?

弦理論に触発されたアイデアは宇宙を崩壊から救うことができるでしょうか?

（写真提供：パシェカ、ゲッティイメージズ）

私たちの宇宙は根本的に不安定なのかもしれません。一瞬のうちに、時空の真空が新たな基底状態を見つけ、宇宙の物理学に壊滅的な変化を引き起こす可能性がある。

あるいは、弦理論に触発された新たなアイデアは、私たちの宇宙がこれまで考えられていたよりも安定している可能性を示唆しているのかもしれません。

壊れた宇宙

ビッグバン後の最初の数マイクロ秒の間に、宇宙は一連の劇的な相転移を経験した。自然界の 4 つの力、つまり電磁力、重力、強い核力、弱い核力は、かつては 1 つの力に統合されていました。物理学者はこの力の特性や性質を知りませんが、それが長く続かないことは知っています。

宇宙が膨張して冷えるにつれて、重力が最初に他の 3 つから分離しました。そして、強力な核戦力が独立した。最後に分裂した 2 つの力は、電磁力と弱い核力でした。この最終的な分裂は、実際には実験で実現可能です。最大の粒子加速器を使えば、初期宇宙の状態を再現し、2つの力を再編成するために必要なエネルギーを（一時的に）得ることができます。

それ以来、すべてが安定しました。自然の4つの力は、今も本来の状態のまま残っています。素粒子が結合して原子核、原子、分子を形成します。やがて、星が生まれ、灰の中から惑星が出現します。ビッグバンの最初の数マイクロ秒と比べると、過去 138 億年は退屈なものでした。

さまざまな変化

しかし、宇宙の見かけ上の安定は、その長い存在によって私たちが作り出した幻想なのかもしれません。実際、初期宇宙で起こったあらゆる相転移は現実の性質を完全に変え、古い秩序を消滅させて新しい力と新しい粒子に置き換えました。

科学者はヒッグス粒子の質量を測定することで、時空における現在の真空の安定性を評価することができます。ヒッグス粒子は空間と時間のすべてに浸透しており、非常に重要な役割を果たしています。多くの基本粒子に質量を与えることに加えて、弱い核力と電磁力の間にくさびを打ち込む役割も果たします。言い換えれば、初期の高温高密度の宇宙では、微弱なヒッグス粒子が背景に潜んでおり、2つの力が結合することを可能にしていた。しかし、宇宙が冷えるにつれて、ヒッグス粒子が強くなり、2つが分離しました。 （他の自然界の力を引き離すメカニズムは、現代物理学で現在も研究が続けられている分野です。）

明らかに、宇宙は不安定ではありません。そうでなければ、とっくの昔に新しい時代へと移行していただろう。しかし、ヒッグス粒子の質量は、宇宙が完全に安定しているのか、それとも単に準安定なのか、つまり何かがランダムな相変化を引き起こすまでは一時的に安定しているのかを判断するのに役立ちます。

ヒッグス質量の現在の測定は、我々の考えが正しかったことを示唆している。つまり、宇宙は準安定状態にあり、いつでも新たな段階に入る可能性があるということだ。

時空の真空から新たな基底状態への相転移を破滅的と表現するのは控えめな表現でしょう。あるランダムな時点で、ランダムな量子ゆらぎが相転移を引き起こす可能性があります。そこから、膨らむシャボン玉のように広がっていきます。バブルの外では、生命と宇宙は通常通りに継続します。しかし、泡の内側ではまったく新しい物理法則が出現します。

私たちの存在全体が自然法則の安定性、つまり力の配置と既知の粒子の数に依存していることを考えると、相転移が私たちを一掃した場合、私たちは…消滅してしまうでしょう。

弦理論との組み合わせ

不確か。結局のところ、これはすべて非常に推測的な物理学です。プレプリントデータベースarXivに最近投稿された新しい論文は、より楽観的な見方を示しています。

私たちの物理学の知識は不完全です。ヒッグス粒子との組み合わせは、電磁力と弱い核力がどのように融合するかを教えてくれます。しかし、強い核力が他の核力とどのように関係するかについて、一貫した首尾一貫した理論はまだ見つかっていない。自然界の完全な量子的記述における重力を含む完全に統一された力は、私たちの理解を超えています。

しかし、弦理論はすべての力を単一の枠組みの下に統一しようとする試みです。弦理論では、私たちの存在の基本粒子は、小さな振動する弦の集合体として考えられています。

弦理論はまだ完成していないが（そして、決して完成しないと考える人もいる）、研究者は弦理論によって、宇宙を終わらせる可能性のある相転移の物理学など、困難な問題を研究するためのツールを開発することができる。

新しい論文の著者らは、非局所的効果を含む弦理論のバージョンを研究した。非局所的効果とは、空間のある領域にある弦が、遠く離れているにもかかわらず、空間の別の部分にある弦に瞬時に影響を与えるように見えることを意味する。 （これは過激な考えのように思われるかもしれませんが、それほど突飛なことではありません。量子もつれも非局所的な現象なのです。）

研究者たちは、泡が膨張するにつれて、このバージョンの弦理論における非局所的効果によって泡の壁が平らになる傾向があることを発見した。場合によっては、気泡の壁が長く伸びすぎて完全に溶解してしまうこともあります。これは、もし私たちの現実が実際に準安定であり、ランダムな相転移を起こすのであれば、宇宙の基本的な弦物理法則により、相転移が宇宙全体を飲み込むのを防ぐことができるということを意味します。バブルは、顕微鏡的サイズを超えて拡大する前に崩壊するだろう。

これはまだ非常に推測的な考えですが、少なくとも私たちが宇宙の基本的な仕組みを理解し続ける間、ある程度の安心感を与えてくれます。

著者:ポール・サッター

FY: ゼキシブリングブリングブラ

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