Essay 31
量子論が描く驚異の宇宙像

第1部「エントロピーの法則が予想する宇宙の死」で、古典的な理論をもとに宇宙の姿を描きました。第2部で、超ひも理論をもとに宇宙の外側へ踏み出し、驚異の全貌を描き出します。私自身の想像力の限界に挑戦します。

<第1部「エントロピーの法則が予想する宇宙の死」から続く>

第2部 次元の闇から湧き出る宇宙
2012年11月27日
膨張する宇宙

宇宙誕生の瞬間に、真空エネルギーの相転移が起こった。3次元空間的な感覚からは、不顕在だった真空エネルギーが顕在化した、と言い換えることができる。相転移によって解放された莫大な量のエネルギーが、空間を押し広げた。

誕生直後の宇宙は素粒子よりも小さかった。相転移によって解放されたエネルギーが、インフレーションと呼ばれる空間の猛烈な膨張をもたらした。無からの誕生後10 -44 秒から10 -33 秒の間に、宇宙空間は直径数センチほどの大きさになった。
インフレーションのときの空間の膨張速度は、光速の10 22 倍だったと計算されている。アインシュタインの特殊相対性理論によると、光速を超えることができる物質は存在しない。空間の膨張速度は、空間内に存在する2点間の距離の離反速度になるので、この猛烈な膨張速度は特殊相対性理論と矛盾しない。

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bigbang

宇宙誕生後のビッグバンによって空間へ放出されたエネルギーは、熱エネルギーに変化し、クオークやレプトンなどの基本的な粒子を誕生させた。宇宙誕生から1秒も経たないうちに、クオークやレプトンが集合して陽子と中性子を形成した。

インフレーションの終了後に膨張速度は減速を始めた。ところが今から70億年前、すなわち宇宙誕生から約70億年後に、なぜか膨張速度が再び加速し始めた。 この加速は、あとで述べるエントロピーの法則の矛盾と直接に関係しているので、頭に入れておいていただきたい。 現在、観測範囲の限界にある天体が私たちから遠ざかる速度は、光速の3倍だ。

膨張速度から計算された現在の宇宙の大きさは、半径465億光年となっている。しかし、人間に観測が可能な範囲は、理論上は半径137億光年になる。この距離のところに観測される宇宙は、137億年前の誕生直後の宇宙になる。もっと正確にいえば、宇宙誕生から38万年後の宇宙の姿を見ることになる。

38万年後までに水素原子が作られ、電子が原子に取り込まれた。光が、空間に満ちあふれた電子に衝突することがなくなり、直進するようになった。空間が遠くまで見通せるようになった。これを宇宙の晴れ上がりという。晴れ上がり以前の宇宙の姿を見ることはできない。

宇宙が晴れ上がった誕生から38万年後を、ビッグバンの終了時としている。38万年間に、宇宙は、半径465億光年ー半径137億光年=半径328億光年も、猛烈に膨張したことになる。

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半径や直径という言葉を使うと、日常的な感覚からは、地球が球形宇宙の中心にあるような錯覚を生んでしまう。ところが、この3次元空間宇宙の中の全ての場所が、3次元空間に住んでいる知的生命体にとっては、宇宙の中心になる。
3次元の感覚しか持っていない、3次元空間の中に住んでいる知的生命体には、この宇宙の果てを認識することができない。私たちの宇宙の果ては、4次元空間から見れば認識できるが、4次元空間からどう見えるかのを、私たちは想像することができない。 この認識能力の限界については、エッセイ18「無の向こうに広がる高次元世界」に詳しく書いたので参照されたい。

エントロピーの法則の深刻な矛盾

古典的な実験をもとに確立されたエントロピーの法則を、宇宙的規模で正当化するために、専門家は苦労している。理論や仮説のいくつかは、素人にはとても分かりにくく、全体的に把握しようとすると混乱してしまう。専門家にも混乱があるように思われる。

ビッグバンから始まった、この宇宙におけるエントロピー増大の様相を、多くの専門家が同意している範囲内で、まずまとめておきたい。そのあとで、私が理解している矛盾点を明確にし、私なりの解答を示したい。

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「私たちの宇宙は無からビッグバンによって誕生し、外部から完全に隔離された孤立系として存在している」、と仮定する。こう仮定しなければ、エントロピーの法則は破綻してしまうのだから、仕方がない。

すると疑問が湧いてくる(疑問1)。
孤立系である宇宙を膨張させるエネルギーは、誕生時に供給されたものだけになる。 ビッグバン時にこの宇宙へ放出された、低エントロピーの莫大な量のエネルギーが空間を高温にした。空間は膨張することによって、エントロピーの大きな低温状態へと移行し続けている。宇宙は膨張速度を減少させながら、最終的には極低温の高エントロピー宇宙へと変貌する。
エントロピーの法則によると、遠い未来に宇宙の膨張は停止することになる。 宇宙は、エントロピーが極大になったこの時点で死んでしまう。

ところが、1998年に遠方の超新星を観測した結果、宇宙の膨張が加速していること分かった。その後の研究でも、この加速が裏づけられた。さらに 遠方にある超新星を調べた結果が、ビッグバン後に減速していた膨張が、約70億年前に加速に転じたことを示した。今までのエントロピーの法則からは、減速を続けていた孤立系宇宙空間の膨張速度が、ある特定の時点から加速し始めることはあり得ない。

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エントロピーの法則の説明に、専門家がよく使う2つの例は、互いに矛盾しているように思われる(疑問2)。
エントロピーの増大を説明するために、水に落としたインクがしばしば引き合いに出される。インクは拡散現象によって薄まっていき、逆の方向の現象が起こることはない。インク分子が水の中に一様に分散したときに、エントロピーが最も大きくなる。熱力学のモデルである分子運動論によると、「インク分子が水を入れた容器内に一様に拡がった、高エントロピーの状態が最も自然である」、となる。
これに対して、「宇宙誕生時には、無から放出されたエネルギーなどの物理量の分布がほぼ均一だったので、エントロピーは最小だった」、と説明される。

これら2つの事象の一つひとつについて、専門家はいろいろな説明を加えている。だが、2つを同じ土俵上で総合的に説明しようとすると、矛盾に遭遇するように思われる。インク分子が一様に広がった状態を高エントロピー状態といいながら、エネルギー分布が均一な状態を低エントロピー状態ということに、不自然さを感じる。

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宇宙誕生時にエントロピーが最小だったというために、重力を強引に持ち出す専門家がいる(疑問3)。
「重力は、全ての物体に対して引力として作用するために、一様性が高いほどエントロピーは小さくなる」、と説明されている。
一様性の高い重力が低エントロピー状態を作るならば、重力が生まれる前の時点との関連で疑問が生じる。重力が生まれたのは宇宙誕生の10 -43 秒後だった。宇宙が孤立系ならば、重力が存在しない高エントロピーの状態が、重力が生まれたあとの低エントロピーの状態へ、どうやって移行したのだろうか?

身近なインクの実験においても、重力との関連でおかしいことがある。インク分子が一ヶ所に集まっていると、容器内の重力分布に偏りが生じる。勿論、この重力分布の偏りはとても小さいので、どのような器具を使っても測定することはできない。インク分子が一様に分散してしまえば、容器内の重力分布は一様になる。すなわち、容器内の孤立系において、高エントロピーから低エントロピーの状態へ、溶液が移行したことになってしまう。

混乱をもたらす熱的死の概念

遠い未来の宇宙の姿を、エントロピーの法則はどう説明しているのだろうか?
「はるかな未来において、宇宙の全てのエネルギーが均等に分布する状態になる。ここでは、もはや新しい現象は起こらず、生命どころか星さえも存在しなくなる。この状態を熱平衡状態、すなわち熱的死という。熱的死にいたると、宇宙の温度は絶対零度に近くなる。宇宙のエントロピーはここで最大になる。現在の宇宙のエントロピーは極めて小さいので、熱的死にいたるまでにまだ10 40 年ほどを要する」

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熱的死のあとのシナリオについては、2つの可能性が考えられている。

  1. 宇宙の物質密度が臨界密度よりも大きい場合、熱的死の時点で、エントロピーの時間の矢が逆方向に働き始める。宇宙は収縮を開始する。最終的には、宇宙は再び高温・高密度の極小空間になる。これは宇宙が誕生したときと同じ状態だ。この過程をビッグクランチという。

  2. 宇宙の物質密度が、臨界密度に等しいかそれよりも小さい場合には、膨張は減速しても止まることはない。熱的死の状態が永遠に保たれることになる。陽子崩壊が起こり、原子の大部分を占める水素も消失する。宇宙には放射だけが残ることになる。

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熱的死という言葉はあいまいなので、理解に混乱が生じやすい。この言葉を、「全ての物質がばらばらになってしまうほどの高温の状態」、と解説する専門家がいる。熱が全ての物質に死をもたらすのだ。ところが、「熱的死にいたった宇宙は極低温になる」、とエントロピーの法則では説明されている。私の推測だが、この言葉のもともとの語源は「熱が死んだ状態」、すなわち極寒を指しているのではないだろうか?

「誕生直後のインフレーションが始まる前の宇宙は、熱平衡の状態にあり、熱的死に似た状態だった」、という指摘がある。宇宙誕生時の空間は、熱力学的には宇宙終末時と同じだった、という説明は混乱をもたらす。「空間の急激な膨張がエントロピーの捨て場所を作ったので、宇宙のエントロピーは現在程度に小さくなった」、とこの説明は続く。これでは、高エントロピーから低エントロピーの状態への転移が、起こったことになってしまう。エントロピーの法則の最も基本的な原則に反する。

謎だらけの宇宙の最新像

ここで、地球から見える現在の宇宙の姿に触れたい。

daikibokozo

数百から数千の銀河が集まって、銀河群や銀河団を形成している。銀河群や銀河団がさらに集合して、超銀河団を形成している。超銀河団は宇宙空間に壁のように分布しており、この壁を銀河のグレートウォールあるいはフィラメントと呼ぶ。
1980年代になって、グレートウォールの間に、光を発する天体がほとんど存在しない、暗黒の空間領域が発見された。これをボイド(超空洞)と呼ぶ。ボイドの直径は1億光年を超える。

グレートウォールとボイドが組み合ってでき上がっている宇宙の大規模構造は、せっけんをあわ立てたときにできる、あわの集合体のように見える。あわの中の空洞部分がボイドで、あわの膜面がグレートウォールになる。この大規模構造は、重力の不安定性をもとにした、宇宙誕生時のエネルギーのゆらぎをもとに成長した、と説明されている。

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energy

宇宙に存在する全エネルギーの説明をしておこう。

ダークマターは銀河を取り巻くハローに存在し、動いたり放射線を出したりすることはない。しかし、渦巻銀河の回転は、このダークマターの重力の影響下にある。また、ダークマターは銀河団をつなぎ止め、宇宙の大規模構造の形成に関与している。 ダークマターは、グレートウォールの部分に集中して存在している。ダークマターがなければ、大規模構造は形成されず、銀河はばらばらになって飛び散ってしまう。このように重要なダークマターだが、重力だけがその存在の証明になっている。
ダークマターの候補粒子としてニュートリノがあげられた。しかし、量が余りにも少ないために否定された。現在では、ニュートラリーノやアクシオンという幽霊粒子があげられている。これらの粒子は仮想の粒子で、存在は確認されていない。

1998年に、上述したように、宇宙の膨張速度が加速していることを示す観測結果が、得られた。この観測結果は予想外で、 重力エネルギー量を上まわる、膨張を加速させる反重力エネルギーの存在が示唆された。しかも反重力エネルギーは、なぜか70億年前から増加している。
このエネルギーはダークエネルギーと命名された。同じ「ダーク」でもダークマターとは全く関係がない。 ダークエネルギーは、通常の重力に反発するエネルギーで、空間へ負の圧力を与える。通常の原子やダークマターとは異なり、ダークエネルギーが銀河の周辺に集積することはない。

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上図に、宇宙に存在する全エネルギー量に対する、各エネルギー量が占める割合を、面積で示している。私たちが知っている原子や素粒子などが占める割合は、たった4%に過ぎない。この4%で、目に見える星や銀河が作られている。これに対して、目に見えないダークマターが22%、ダークエネルギーが74%を占める(2003年から始まったWMAP衛星の観測結果)。
ダークマターもダークエネルギーも、その実体はまだ確認されていない。それらがなければこの宇宙は存在できない、という理論的な要求によって仮定されている、仮想の物質エネルギーだ。
ダークマターは宇宙の物質エネルギーの22%を占める。この量は、宇宙の膨張を止めるために必要な量の30%ほどにしかならない、と現在では考えられている。宇宙は、上のシナリオ2に似た状態にあり、膨張は永遠に続くと考えられる。

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これらの今までに確認された事象を、ボイドとグレートウォールから成る、宇宙の大規模構造の形成に結びつけることができる。次に、このあたりの議論をしてみたい。

宇宙を構成する究極の粒子の向こう側に高次元世界

エントロピーの法則は、古典的な熱力学の分野に属する法則だ。この法則によって存在が認められる現象は、古典的な実験器具で測定ができる、物理学や化学の範囲に収まるものだけだ。既に何度も述べたように、この法則を唯一絶対の真理と仮定すると、ビッグバンで誕生した宇宙は、外に完全に閉じた孤立系という前提に立たなければならない。ところが、この前提がいろいろな矛盾を生み出すことを、上に述べた。

量子論の研究が進んで、私たちの宇宙は、人間には観測も知覚も認識もできない、高次元世界の中に存在している、と考えなければならなくなった。もっと的確にいえば、高次元世界を構成する要素の一部になっている(エッセイ1826)。
この高次元世界に、目に見える世界の物理学や化学の法則を適用することは、できない。逆にいえば、高次元世界を想定することによって、エントロピーの法則の多くの矛盾が解決される。

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私たちが認識できる世界を構成している原子は、極微の素粒子あるいは基本粒子から成る。それらの素粒子の存在は、この宇宙の外側にある高次元世界によって規定されている。この極微の存在は、主に確率論で議論されている。

ここで、「場の量子論」という聞きなれない言葉を使って、素粒子の説明をしておきたい。量子論では、宇宙空間と同じ意味で「場」という言葉を使う。場は常に振動している。 極微の場の振動が大きくなった状態が、素粒子と考えられる。この振動部分は高エネルギーの状態になっている。3次元空間の場に、どこからエネルギーが加えられるのだろうか?エネルギーの供給源を高次元世界とすれば、この疑問は氷解する。

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エントロピーの法則の矛盾との関連で、上の説明の補完になるようなことを書いておこう。3次元の球体の一部である2次元の表面は、球体からの孤立系なのだろうか?それとも球体への開放系になるのだろか?「系」という言葉は、外部から独立した存在を意味する。球の表面は、球体を構成するための必要条件になるので、独立した系と考えるのは不適切だ。2次元の表面は球体の一部であり、球体に対する開放系と考えてよい。
このモデルの次元を一つずつ上げれば、4次元空間内に存在する3次元空間の説明になる。4次元空間に開放されている私たちの宇宙を孤立系と仮定すれば、エントロピーの法則が破綻するのは当然だ。

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brain

超ひも理論(とても大事なエッセイ18「無の向こうに広がる高次元世界」を参照)によると、電磁気力、ウイークボソン、グルオン、クオーク、電子、ニュートリノなどの素粒子は、両端が開いた極微のひもということになる。これらのひもは、開いた両端で、次元的に様々な広がりを持つブレーン(高次元世界に浮かんでいる膜)に付着している。このブレーンのうちの一つが、私たちの3次元空間宇宙になる。
重力の相互作用を伝達する役目を担っている重力子は、まだ存在が確認されていない仮想の素粒子だ。この重力子は、両端が閉じた輪ゴムのようになっているので、特定のブレーンに付着することがない。私たちの宇宙を離れて、高次元世界の中を自由に動くことができる。

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particle

観測可能な全ての原子と素粒子を取り除いた真空の空間は、今までの物理学では無の空間ということになっていた。ところが、量子論は「無」の意味を変えてしまう。
真空中に膨大な数の粒子と反粒子のペアが湧き出ている。両粒子は衝突して瞬間的に消えている。これを対生成と対消滅という。粒子と反粒子が、私たちの宇宙に存在する時間は極端に短いので、観測ができない。 10 -22 秒程度だ。そのような極微の粒子が、私たちの体内を含む、この宇宙のいたる所に湧き出ている。それを想像するには、少しばかりの想像力の飛躍が必要になる。

場の量子論によると、この湧き出る粒子と反粒子も、極微の空間の高エネルギー振動部分になる。高次元世界から、エネルギーが常時供給されていることを示唆する、現象の一つになる。

この仮想のバーチャル粒子は、超ひも理論の構築に必要な粒子だ。超ひも理論の背景になる場の量子論の計算において、バーチャル粒子の存在を想定しなければならない。バーチャル粒子の実体は、電子と陽電子、クオークと反クオークなどの粒子だ。バーチャル粒子は素粒子の形成に関与している。バーチャル粒子と観測可能な素粒子が空間に共存している。

宇宙構築に関する和戸川の仮説

超ひも理論を使えば、この宇宙の存在のあり方の全体像が、明瞭になる。ここまでに述べたエントロピーの法則における矛盾が、氷解する。 超ひも理論は、具体的にはまだほとんど証明されていない仮説だが、宇宙のあり方を無理なく説明できることから、この理論の信頼性は高いと思われる。「無理や不自然さがなければ、その理論は真理により近くなる」、とアインシュタインが述べている(エッセイ27「生き残りのための総力戦」)。

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無の空間に次々と湧き出るバーチャル粒子は、空間を膨張させるもとになる。すなわち、空間を膨張させる物質エネルギーになる。 ビッグバンで放出されたエネルギーと同じ作用を、空間に及ぼす。 ところが、バーチャル粒子の量は、推定されているダークエネルギー量の60~120桁も多いという。バーチャル粒子がダークエネルギーならば、宇宙の絶対的な膨張速度は光速をはるかに超えてしまい、この地球上で自分の指先を見ることができなくなる。

ここで重力子を思い起こそう。次元の壁を軽々と乗り越える重力子が、私たちの宇宙へ瞬間的に出現している、と超ひも理論が述べている。 空間に対して、反重力エネルギーのように振る舞うバーチャル粒子。重力子が、そのようなバーチャル粒子の作用を打ち消す。宇宙の膨張速度を、現在程度に遅くすることが可能になる。この重力子をダークマターと考えれば、大きな謎の一つが解明される。
宇宙の膨張速度が減速と加速を繰り返すことから、この宇宙に出現する、バーチャル粒子と重力子の量に変動がある、と考えられる。出現量のバラツキを左右するのは、高次元世界における、不確定性原理にもとづいたエネルギーのゆらぎではないだろうか?宇宙誕生時に存在したエネルギーのゆらぎが、原子を誕生させるもとになったことを考えれば、これは無理のない推測のように思われる。

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エッセイ18「無の向こうに広がる高次元世界」に書いたように、広く信じられている宇宙論によると、宇宙誕生時に空間へ放出されたエネルギーが、粒子と反粒子を対生成させた。ほとんどの粒子と反粒子は、接触して瞬間的に対消滅した。しかし、不確定性原理によって、粒子の数が反粒子よりもやや勝っていたので、宇宙には反粒子が存在しなくなった。粒子のみが残った。この粒子からクオークやレプトンが形成され、現在宇宙に存在する原子が誕生した。

これと同じことが、現在の宇宙空間でも起こっているという仮定の上で、想像をたくましくしたい。
宇宙誕生時と同じように、不確定性原理によって、バーチャル粒子の反粒子よりも粒子の数のほうがやや勝っている、と仮定する。消えずに残った粒子が、新たな素粒子を作り原子を形成することになる。そうやって宇宙空間に湧き出る、存在が安定している原子も、空間の膨張に大きな役割を果たすことになる。これらの原子もダークエネルギーの一部になる。

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高次元世界から飛来する、ダークマターである重力子が、不確定性原理によって宇宙空間に不均一に出現する、と仮定する。すると、重力子が高密度に出現する局所空間が網の目状になり、グレートウォールが形成される。宇宙空間に湧き出るバーチャル粒子から形成された原子が、グレートウォールに引き寄せられ、最終的には銀河を誕生させる。
湧き出るバーチャル粒子、それに対消滅せずに残った粒子から形成される原子が存在するボイドは、膨張を続ける。空気でふくらむゴム風船の膨張を抑える、ゴムの部分のような働きをしているのが、グレートウォールに集まった重力子と星々から成る銀河だ。こう考えれば、宇宙膨張の全体像が明瞭に浮き上がってくる。

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もしも、ダークエネルギーが宇宙誕生時のみに作られたとすれば、空間の膨張につれて、ダークエネルギーの空間における密度は下がる。しかし、現実にはダークエネルギーの密度は空間が広がっても小さくならない。このことは、増えた空間にどこかからバーチャルエネルギーが湧き出ている可能性が高いことを示し、上の仮説を支持する。

ダークエネルギーが、宇宙に存在する全エネルギーの74%程度を占め、ダークマターと観測可能な星などが、残りの22%と4%を占める。この比率を頭の中に入れて、宇宙の大規模構造のあわを思い描いてみたい。ボイドとあわの膜の部分の比率が、この程度の割合になるかもしれない。

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量子論が描き出す宇宙の誕生について、想像をもう少しふくらませてみたい。すると、驚くような可能性を提示できる。
宇宙は無から誕生した。誕生時の宇宙は素粒子よりも小さかった。4次元以上の宇宙空間に、3次元の極微宇宙が数限りなく誕生していることを、想定してもいい。

私たちの宇宙空間で、粒子と反粒子が対生成し対消滅している。3次元的な感覚からは、無から湧き出ることになる極微の宇宙にも、粒子と反粒子と同じような宇宙と反宇宙がある、と考えることに特に無理はない。宇宙の対生成と対消滅が継続する。不確定性原理によって、反宇宙よりも宇宙の数のほうがやや勝っていれば、消滅せずに残る宇宙がある。そのうちの一つが私たちのこの宇宙になった。

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私が考えた以上の仮説は、まだ大部分が仮説に過ぎない超ひも理論の上に、組み立てたものだ。実験的あるいは理論的に実証されているものではない。しかし、最先端の量子論においては、「実験的に誤りが証明されていない仮説には意味がある」、と考えたほうがいい。さらに、上記のアインシュタインの言葉を思い出していただきたい。ここまでに書いた仮説を、以下でもう少し突き詰めたい。

ビッグバンで誕生した宇宙で永続するスモールバン

「スモールバン」という言葉を新しく作りたい。バーチャル粒子が誕生する状況を、宇宙誕生のビッグバンに対してスモールバンとする。

場の量子論によると、「場は全ての次元の空間に広く行き渡っている」、と考えたほうがいい。すると、ビッグバンとスモールバンが同列の事象になってくる。ビッグバンでこの宇宙が誕生したが、スモールバンでは宇宙にバーチャル粒子が湧き出るだけ、という違いはある。空間的なスケールが違い過ぎるので、同列とはいえない、という反論があってもいい。誕生後に長い時間が経過した宇宙と、対生成の時点におけるスモールバンの3次元的な大きさを比較すれば、反論通りだ。しかし、場の量子論を考慮すると、次のような結論を出さざるを得ない。
4次元以上の空間において、場の一部に膨大なエネルギーが加えられると、3次元の場に(他の次元の場も含む)、素粒子よりも小さい極微の3次元空間宇宙が誕生する。加えられるエネルギーが小さければ、3次元の場に(他の次元の場も含む)、宇宙ではなくバーチャル粒子が誕生する。いろいろな次元の宇宙とバーチャル粒子が、いろいろな次元の空間世界に常時湧き出ている。

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comparison

以上のことを頭に入れて、上の表を見てみよう。スモールバンの研究が進めば、表に示されたビッグバンと同じ現象が見つかるかもしれない。

ビッグバンにおいては、湧き出たエネルギーから、粒子と反粒子が対生成し対消滅した。対消滅をまぬがれた余剰の粒子から、クオークやレプトンなどの基本的な粒子が作られた。ここまでにかかった時間は、宇宙誕生後10 -10 秒だった。
スモールバンでは、10 -22 秒ほどで、バーチャル粒子の対生成と対消滅が終了する。ビッグバンと同じように、10 -33 秒程度の時間で、湧き出たエネルギーをもとにして、バーチャル粒子が3次元空間の存在になる可能性がある。10 -22 秒までに、誕生した粒子と反粒子が対消滅する。もしも対消滅をまぬがれた余剰の粒子があれば、10 -10 秒後にはクオークやレプトンが誕生することになる。

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新しい量子論は、以上のように、3次元的な意味における、極大と極小の差を完全に失わせる。これは、ビッグバンで誕生した宇宙が極微だったことが、理論的に証明されてから、当然の帰結になる概念だった。即ち、無理がなく自然な帰結なのだ。

和戸川の仮説が否定する宇宙の死

エントロピーの法則の問題点をまとめておく。超ひも理論などの量子論を適用すれば、これらの疑問が容易に解決されることを、ここまでに述べた。

  1. インクが水に完全に溶けた状態で、エントロピーが最大になる。そこでは、インクの分子が水の中に均一に分散している。宇宙誕生時にエネルギーしか存在しなかった空間は、それ以後の星や星雲が散在している宇宙空間に比べると、極めて均一な状態になっていた。この宇宙誕生時にエントロピーは最小だった、とエントロピーの法則は述べている。このようなインク溶液と宇宙に関するエントロピーの法則の説明は、矛盾していると思われる。物質エネルギーが均一に分散している状態を、一方ではエントロピー極大といい、他方ではエントロピー極小という。

  2. 宇宙誕生の直後から空間が膨張したので、エントロピーの捨て場所が拡大し、宇宙のエントロピーは現在程度に小さくなった、とエントロピーの法則は述べている。すると、空間が小さかった宇宙誕生から間もない時期には、エントロピーがとても大きかったことになってしまう。宇宙誕生直後にエントロピーは極小だった、とするエントロピーの法則には無理がある。

  3. ビッグバンが終わると、宇宙の膨張速度が減速した。ところが、約70億年前から、膨張速度が再び加速し始めた。宇宙が孤立系ならば、ビッグバン時に放出されたエネルギーのみで膨張を続ける宇宙の膨張速度が、減速から加速に転じることはない。

  4. 宇宙空間をエントロピーの捨て場所とする仮説を、受け入れるとする。すると、宇宙の膨張が加速している現在、エントロピーの捨て場所が急速に拡大していることになる。宇宙空間のいたる所でエントロピーが減少するので、宇宙に死が訪れることはあり得なくなる。

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エントロピーの法則は、私たちの宇宙が、次元の闇から隔離された孤立系、という前提に立っている。ところが、ビッグバン理論を受け入れると、宇宙を誕生させたエネルギーは、この宇宙の外から供給された、と考えざるを得ない。バーチャル粒子の対生成は、この宇宙以外のところから、エネルギーが常時供給されていることを示している。宇宙誕生から今まで、私たちの宇宙は孤立系ではなかった、と考えるのが自然だ。

私たちの宇宙の3次元空間は、より高い次元空間の一部なので、私たちの宇宙の存在形態は、高次元世界によって規定されている。すなわち、高次元世界に開放されている。
このような宇宙を古典的な熱力学では説明できない。 宇宙を孤立系と想定する熱力学は、観測も認識もできない世界から湧き出る、観測も認識もできない物質エネルギーの存在を否定する。
高次元世界の一部であるこの宇宙は、人間には認識が不可能な高次元世界に開かれている。バーチャル粒子として、あるいは重力子として、私たちの宇宙へ、高次元世界から物質エネルギーが供給されている。ここでは、古典的な熱力学が教えるエントロピーの法則は破綻する。

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宇宙誕生直後に、真空エネルギーをもとにして作られた、膨大な量の粒子と反粒子(バーチャル粒子)が、一瞬にしてこの宇宙へ出現したと考えられている。 バーチャル粒子が、今も間断なく宇宙空間に湧き出ているならば、宇宙誕生時の一つの相が今も継続しているし、今後も永遠に継続すると考えたほうがいい。
私の宇宙論が正しければ、エントロピーの法則が予想する、宇宙の死が訪れる可能性は小さくなる。宇宙が終焉することはない。この宇宙の外側から供給される物質エネルギーのおかげで、未来の宇宙は、今よりも多くの天体が存在する、にぎやかな宇宙になる可能性さえもある。


追記:「2ちゃんねる」で話題になった和戸川の宇宙論

2014年6月21日

(以下の追記は、「作者の思い」No.160から転載したものです。「作者の思い」の書き込みは、時間と共に下のほうへ消えていくので、ここに残すことにしました)

私の宇宙論、( エッセイ30「エントロピーの法則が予想する宇宙の死」 エッセイ31「次元の闇から湧き出る宇宙 」 )について、3月に「2ちゃんねる」で激しい議論が戦わされていたことを、知った。少なくとも2人の論客が参戦していた。物理学が専門と思われるAさんの立場は、「和戸川が書いた宇宙論は妄想に過ぎない。間違いだらけだ。そもそも素人が、こんなものを書くべきではない」、というものだった。宇宙論をよく勉強していると思われるBさんは、「おもしろい。こんな発想があってもいい」と考えていて、私のエッセイを支持する持論を展開していた。

熱い議論を戦わせたお2人に、感謝をしたい。エッセイ30、31へのアクセスはコンスタントに多く、私の宇宙論に反対にしろ賛成にしろ、Aさん、Bさん以外にも、多くの方に興味を持っていただいていることは、間違いがない。物書きには努力が必要なので、書き物が注目されればありがたい。

専門家からAさんのような反応があることは、覚悟の上だった。私のどのエッセイにおいても、既知の知識をまとめた教科書のようなものを書く気は、私には全くない。教科書的な知識を必要な皆さんは、教科書を読んでいただきたい。既知の知識をおりまぜながら、どこまで想像の翼を広げられるのか、私の興味はそこにある。
皮肉な言い方をすれば、既知の知識に固執する専門家に批判されれば批判されるほど、私の創作は成功したことになる。

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アインシュタインの大学時代の物理学の成績は悪く、卒業後は特許庁に勤めた。 あのアインシュタインが「物理学には素人」だった。 素人が相対性理論を作り上げたからといって、Aさんは非難をしないと思う。
「クローン選択説」という理論で、免疫学分野で世界で初めてノーベル賞を受賞したバーネット( エッセイ28「天才を育てる楽しみ」 )が、晩年にこう言っていた。
「人間には全てを知ることはできない。神しか知らない広大な領域が広がっている」

物理学の分野だけに限っても、ニュートン力学、特殊相対性理論、一般相対性理論、量子論などと、それまで知られていた存在の概念を大きく変えなければならない、理論的発展が今までに数多くあった。
真の科学者は、「人間が今までに知ったことなどは、全く取るに足りない」ということを、認める。全てを知っていると思っている専門家がいるとすれば、自分が知らないことに対する、自分の無知をさらけ出していることになる。

Aさんには厳しい言葉になった。ある分野の専門家である私から、Aさんへの素直な直言と理解していただきたい。


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