概要
私たちの宇宙には始まりがあります。 そしていつか、それも終わりを迎えます—しかし、どちらが終わりますか? 宇宙が膨張し、星や銀河が暗くなるにつれて、すべてがゆっくりと冷たくなり、孤立していくのでしょうか? 宇宙の膨張を加速している暗黒エネルギーは、最終的に時空を引き裂くことができますか? 私たちの世界と宇宙の残りの部分が、いつの日か警告なしに存在しなくなる可能性はありますか? このエピソードでは、スティーブン ストロガッツが究極のグランド フィナーレについて話し合います。 ケイティマック、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論宇宙論者。 マックは作者でもある すべての終わり (天体物理的に言えば)、2020 年 XNUMX 月に公開され、科学者が特定した XNUMX つのシナリオについて説明しました。 宇宙がどのように終わるか.
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成績証明書(トランスクリプト)
スティーブンストロガッツ (00:03):私はスティーブ・ストロガッツです、これは なぜの喜び、からのポッドキャスト クォンタマガジン 今日の数学と科学における最大の未解決の問題のいくつかにあなたを連れて行きます. このエピソードでは、すべてがどのように終わるのかを尋ねます。
(00:18) ある日、街を歩いていると想像してください。 あなたは歩道を歩いている他の歩行者に出入りしています。 近くの喫茶店から車のクラクションが鳴り響き、静かな会話が聞こえます。 これは、私たちが知っている日常の世界です。 しかし、ある日、その世界が崩壊し、存在しなくなったらどうなるでしょうか? すべてが突然終わりを迎えたらどうなりますか? 私たちは、太陽を含む恒星の寿命が限られていることを知っています。 たとえそれが私たちの生涯でなくても、彼らはいつか燃え尽きるでしょう. しかし、私たちの銀河はどうですか? それとも全宇宙? すべての結末はどうなる? そして、それはどのように起こりますか?
(01:00) これはスーパーヒーロー映画のメイキングではありません。 これは、ケイティ・マック博士がよく考えているタイプの理論物理学です。 マック博士は、トロントから約 XNUMX 時間離れたカナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論宇宙論者です。 彼女は Cosmology and Science Communication Research の Stephen Hawking Chair を務めており、彼女の目標の XNUMX つは物理学を一般に公開することです。 Dr. Mack は好評の本の著者でもあり、 すべての終わり (天体物理的に言えば)、2020 年 XNUMX 月に公開されました。科学者がどのように宇宙の終わりを考えるかについての XNUMX つの主な理論を詳しく説明しています。 ケイティ、今日はご参加ありがとうございました。
ケイティマック (01:47): よろしくお願いします。
ストロガッツ (01:48): それは私たちにとって本当にうれしいことです。 個人的な質問から始めてもいいですか? 宇宙の終わりについて考えるというこのトピックにあなたを惹きつけたのは何ですか? なぜ、なぜそれはあなたをつかむのですか?
マック (01:56): ご存知のように、それは宇宙に対する私の一般的な好奇心の一部に過ぎないと思います。 私は宇宙の始まり、ビッグバンについてよく考えて育ちました。 ご存知のように、私たちはどこから来たのかについてのこれらすべての大きな質問。 そして、ある時点で、宇宙論の研究を通じて、私はこの結末の問題に直面し続けました. それで、私が大学院にいたとき、宇宙が自分自身を引き裂く可能性のXNUMXつであるビッグリップについて読んだことを覚えています。そして、宇宙がこの本当に暴力的な方法で終わる可能性があるという概念に魅了されました. そして、宇宙論の研究を続けていたとき、私は真空崩壊に出くわしました — ご存知のように、この種の宇宙の突然の終焉 — そして、明らかに理由もなく宇宙が瞬く間に消滅する可能性があるという概念に魅了されました. .
(02:46) そして、これらのトピックはすべて、私が専門的な仕事で行っていた読書で出てきました。 そして、私はそれをもう少し探求したかっただけです。 そして、私は、宇宙論についての公の言説ではあまり語られないと思うこの話をしたいと思いました。 ビッグバンの始まりについては多くの話がありますが、終わりについてはほとんど話されていません。
(03:05) そして、それは、私が遭遇するたびに常に私を魅了してきたものだと思います. 私たちの宇宙の究極の進化がどのように完了するのか、そしてそれが今何が起こっているのかについての議論を見ているだけです. 宇宙の構造について、存在の全体的な形式について。 それは私にとって魅力的な質問です。
ストロガッツ (03:27): ええ、つまり、それは — 疑問に思うのはかなり自然なことだと思います。 科学に興味を持っている人や、人生について大きな疑問を持っている人のほとんどは、疑問に思っていると思います。
(03:38) ここから始めるべきだと私が思うのは、熱による死です。私たちが宇宙の熱による死と呼ぶシナリオは、長い間存在しています。 それについて教えてください。あなたがそれが最も可能性が高いと考えていることは理解しています。
マック (03:50): そうですね、熱死は物理学で最も受け入れられていると考えられている死です。 口語的にビッグフリーズと呼ばれることもあります。 熱死の背後にある考えは、宇宙が膨張していることを知っており、膨張が加速していることを知っている. そのため、遠い宇宙にある銀河は、私たちから遠ざかりつつあります。 彼らは互いに距離を置いています。 そして、この拡大は継続しており、時間の経過とともに速くなっています。 なぜ加速しているのかはわかりません — 私はそれを指摘します. 現時点では、ダークエネルギーと呼ばれるものによるものです。 暗黒エネルギーが何であるかはわかりませんが、 宇宙をより速く膨張させる.
(04:23) 暗黒エネルギーに関する私たちの考えには、暗黒エネルギーが宇宙定数と呼ばれる宇宙の一種の特性にすぎない可能性が含まれています。 そして、より多くのスペースがあり、宇宙が膨張するにつれて、より多くの伸縮性も得られます。なぜなら、より多くの暗黒エネルギー、より多くの宇宙定数を持っているからです. そして、宇宙は膨張し続け、膨張し、膨張し続けています。
(04:48) もしそうなら、それが実際に起こることなら、あなたが得られるのは、すべての銀河または銀河のすべてのクラスターが、他のすべての銀河からますます孤立し、宇宙はさらに孤立するということですそして、より空っぽになり、ますます拡散し、時間の経過とともに寒くなります。 なぜなら、最初は宇宙が非常に熱く、密度が高かったことを私たちは知っているからです。 それ以来、それは拡大しています。 それは冷却され、より拡散しています。 つまり、それは無期限に続きます。 そして、もしあなたが銀河の中にいて、他のすべての銀河が遠く離れているために突然孤立した場合、相互作用はなく、銀河が入ってきて、新しいガスをもたらして新しい星を形成することはありません. あなたは銀河のようなもので、あなたが持っているすべての星を焼き尽くします。 水素をすべて燃やしてしまうので、新しい星を作ることはできません。 星は死に、燃え尽き、暗くなる。
(05:36) たくさんのブラック ホールがあります。 最終的に、ブラック ホールを十分に長く放っておくと、そのエネルギーが放出されます。ブラック ホールは蒸発し、すべてがこの無秩序なエネルギーに崩壊します。 そのため、この銀河にあったものはすべて放射されます。 物質は腐敗し、バラバラになります。 考えてみれば、存在するすべてのものの無秩序なエネルギー、廃熱のようなものがあるでしょう。
(06:01) そして、すべてが崩壊する段階に到達すると、最大エントロピーと呼ばれるものに到達します。 したがって、熱力学の第 XNUMX 法則は、エントロピーまたは無秩序が将来に向かって増加することを示しています。 そしてご存知のように、[同じ理由で] 永久機関を持てないのと同じ理由で、何かを永遠に回転させようとすると、壊れてしまい、摩擦と熱でエネルギーを失うことになるからです.バラバラになります。 同様に、宇宙では、あらゆる種類のものが崩壊してその廃熱になります。 そして、それが熱死と呼ばれる理由です。 それは、無秩序なエネルギーに崩壊するすべてのものがあり、これ以上の無秩序が起こらないこの最大エントロピー状態に到達し、すべてが完全に無意味になるということです. 本質的に、それは完全に完全に無構造です。
(06:49) それは宇宙の究極の熱死です。 そして、人々はそれを憂鬱な方法だと考えています。なぜなら、すべてが非常に冷たくて暗く、空っぽで孤立し、永遠に朽ち果ててしまうからです。
ストロガッツ (07:03): Big Freeze という名前を付けた理由はわかります。 私があなたの言うことを正しく聞いていれば、これはちょっとぬるいか、もっと悪いことになるでしょう。
マック (07:11): その通りです。 うん。 そしてこの場合、「熱」は技術的、物理的な言葉の意味であり、あらゆる創造物の廃熱のようなものです。
(07:19) しかし、明るい面は、それが起こるには非常に長い時間がかかるということです. つまり、他の銀河が見えなくなるのは、今から約 100 億年後のことです。なぜなら、それらは遠すぎて、遠ざかる速度が速すぎるからです。 ですから、私たちの銀河系で最も質量の小さい星のいくつかは、潜在的にXNUMX兆年ほど続く可能性があることを知っています. ですから、宇宙が寒く、暗く、空っぽになるまでには、ある程度の時間があります。
ストロガッツ (07:41): 空間が引き伸ばされているため、空虚さはこれのもう XNUMX つの興味深い側面です。 それは本当に当たり障りのない、均一で無秩序であるだけでなく、非常に寂しいものでもあります. すべてが他のすべてから離れて広がっているように。
マック (07:56): そうですね。 そして、その非常に興味深い側面は、他の銀河が存在するという証拠さえ得られない特定のポイントに到達することです. 膨張する宇宙を見ることができないため、ビッグバンが起こったという直接的な観測証拠はありません。 そして、「今宇宙が大きくなっているのなら、昔はもっと小さかったはずだ」とは言えません。 宇宙マイクロ波背景放射であるビッグバンからの残りの光を見ることができなくなり、非常に初期の宇宙を研究することができなくなります。 寒くて暗く空虚な宇宙になるだけでなく、学ぶべきことがほとんどない宇宙になるでしょう。
ストロガッツ (08:34): 念のために言っておきますが、混乱する人はいないと思いますが、そうなるとは思いません。 私たちはここにいません、その時点で何も見ることができません。 私たちも崩壊しています。
マック (08:45): お久しぶりです。 つまり、太陽はある時点で非常に明るくなり、地球の海から沸騰するでしょう. そして、それには約XNUMX億年しかかかりません。 つまり、地球が完全に住めなくなるまでには、XNUMX 億年から XNUMX 億年かかります。 だから、ええ、これはそれをずっと過ぎています。 私たちの後に来るものは何でも、または私たちの意識を維持できる小さなインテリジェントな機械を作成することに成功した場合、または私たちが星に広がって、ご存知のように、他の場所に住んで、これらに残っているわずかなエネルギーを利用した場合瀕死の星。 ある時点で、エネルギーを適切な方法で集中させることができなくなるため、やるべきことが尽きてしまうでしょう。
ストロガッツ (09:26): 信じているふりをしましょう 空間と時間は量子化される のように 量子重力 プランク長のスケールで物事に。 有限の数の空間と時間の区画しかない場合、熱死のシナリオの下でさえ、有限の数でも大きな数がある場合、すべての状態が最終的に再発するということはありません。戻ってくる? 熱死しても終わらない。
マック (09:54): 私は本書の熱死の章で、永遠の再発という考えについて話しています。 ええ、エントロピーが最大化されたこの永遠の熱死状態にいるような熱死を見る一つの方法があります. しかし、エントロピーが最大の状態であっても、何かが一緒になる可能性のあるランダムな変動が発生する可能性があります。 そして、完全に均質で無秩序な宇宙に基づいて、グランドピアノが宇宙の真ん中、ちょうど空虚の真ん中でランダムに組み立てられるまでにかかる時間を計算できる興味深い計算がありました。
(10:29): そして、それは非常に大きな数字ですよね? しかし、あなたがこの本当に永遠の状態を持っているなら、それは起こります。 それは、いくつかの定期的なタイムスケールで無限に発生します。 そしてそれを拡張して言うことができます グランドピアノがそれ自体を組み立てることができれば 地球も銀河も 宇宙に存在したあらゆる状態全体も組み立てることができますその時点に到達すると、宇宙の原子と分子の特定の分布が今、この時点で、再び起こる可能性があるに違いないと言うことができます。 、非常に長いタイムスケールですが、これが繰り返される可能性があるに違いありません。 そして、この時点から、宇宙は再び死に向かって進化します.
(11:13) そして、宇宙の歴史の中で起こったすべての瞬間が、無限に何度でも繰り返されるという考えにたどり着きます。 そして、それは本当に心を曲げるコンセプトです。 さて、これが賢明な計算であるかどうかにかかわらず、文献にはこれに関する議論があります。 しかし、それは一種の復活です — ニーチェがこの考えに基づいて書き留めた悪夢のシナリオがあります. あなた、あなたは同じ瞬間を永遠に何度も何度も生きています。 そして、それは恐ろしいことではないでしょうか? そして、それは物理的に可能かもしれませんし、起こり得ることかもしれません。 このように考えるべきかどうかについて、文学は行ったり来たりしています。 しかし、それは興味深いです。 そして、それはまた、この可能性につながります-. グランドピアノが宇宙で組み立てられるとしたら、宇宙全体を経験したと考える単一の脳でも組み立てられるのでしょうか? これは、ボルツマン脳仮説と呼ばれています。
ストロガッツ:あ、聞いたことあります。 私はそれが何であるかを知りませんでした。 うんいいね。
マック (12:12): つまり、すべてが存在するのではなく、現時点でこの会話をしていると考えており、13.8 億年前の宇宙で一生を過ごしてきた脳があるのかもしれません。 そして、ある時点で、その脳はまたもや瞬きして消滅するでしょう。なぜなら、それは空っぽの熱死後の宇宙における粒子のランダムな集まりだったからです。
ストロガッツ: OK…
マック (12:33): その計算もできますね。 そして、その計算を特定の方法で行うと、それは宇宙が存在するよりもはるかに可能性が高いことがわかります.
ストロガッツ: うん。
マック (12:42): 新しいビッグバンと実際の宇宙を生成するよりも、自分が宇宙にあると考える単一の脳を生成する可能性の方がはるかに高いです。 しかし、繰り返しになりますが、異なる答えが得られる場合は、さまざまな計算方法があります。 これもまた別の問題ですが、これらの計算を行うことに意味があるのでしょうか? この計算を行うと、私たちは無作為な脳内の無作為な思考であり、虚空に存在する可能性が高いことがわかります。 それが宇宙の可能性のあるシナリオであるとは必ずしも言いません。これらの計算は役に立たず、宇宙の文脈では実際には意味がなく、私たちの仮定の何かがずれているに違いないことを教えてくれます。 しかし、この無限の宇宙の可能性にどう対処するかは、非常に巨大なタイムスケールに到達したときの宇宙論の非常に興味深い問題です。
ストロガッツ (13:36): わかりました。 OK。 しかし、私はこれらの他のいくつかに確実に参加したいと思っています。
それがシナリオ 1、熱死、ビッグ フリーズ、そして荒野での永遠の再発についてのこの素晴らしい脚注でした。上。 では、#2 に移りましょう。 ビッグリップとは?
マック (13:58): つまり、ビッグ リップは、この暗黒エネルギーの問題に立ち返るアイデアです。 何が宇宙をより速く膨張させているのか、私たちは知りません。 それが何であるかわからないので、私たちはそれを「ダーク」エネルギーと呼んでいます。 しかし、宇宙の膨張を加速させている何かがあります。 もしそれがただの宇宙定数なら、もしそれがただの宇宙の性質なら、それがどうなるかはわかっています。 ご存知のように、それは私たちを熱死へと導き、そこですべての銀河が最大限に孤立し、その後消滅します。
(14:23): しかし、暗黒エネルギーには他にも仮説的な可能性があります。 宇宙の一定の背景ではなく、動的なものがいくつかあります。 それは、時間の経過とともに変化する可能性があるものです。 具体的には、時間が経つにつれてより強力になる何かの方程式を書き留めることができます. これが何であれ、それは宇宙に組み込まれた一種の伸縮性であり、動的フィールド、エネルギーフィールドであり、時間とともにより強力になります. そして、それが宇宙をますます速く引き延ばし始めるように。 加速を引き起こすだけでなく、オブジェクト内に蓄積します。
(14:57) 宇宙定数について XNUMX つ。 宇宙定数が存在する場合、その密度は宇宙で一定です。 つまり、特定の領域の周りに球を描くと、その球には一定量の宇宙定数があるということです。 そして、宇宙が膨張しても、その球にはまだ同じ量がありますよね? 宇宙定数は変わらない。 私たちが「ファントム」暗黒エネルギーと呼ぶ宇宙では、その領域内の暗黒エネルギーの量は時間とともに増加します。 たとえば、その球体に銀河が住んでいて、その銀河が重力で束縛されていて、宇宙論的に一定の宇宙ですべてが重力によってまとめられている場合、それは問題ありません。 軌道は変わりません。 銀河はそのまま。 ファントム ダーク エネルギーのある宇宙では、その球内の伸縮性が増しています。 暗黒エネルギーが蓄積されており、銀河を引き離すことができます。 それは星を銀河から引き離すことができ、惑星を星から引き離すことができ、それはただ物体の中でどんどん積み重なっていくだけです。
(15:55) したがって、すべての暗黒エネルギーが単に離れたものを互いに遠ざけたり、より多くの空きスペースを作成したりするだけの状況ではなく、実際には物事を内部から引き延ばすことになります。 私はよく人々にこう言います。 しかし、この部屋は拡大していません。」 ファントムダークエネルギーのある宇宙では、この部屋は最終的に膨張するでしょう.
ストロガッツ: そうですか。
マック (16:19): つまり、非常に大規模に構築することから始めます。 そのため、古い銀河団が引き離されます。 それは銀河の端から星を引き離すでしょう。 しかし、それはますます強力になり、恒星から惑星を引き離し始め、惑星から月を奪い始め、惑星内に蓄積し、最終的に惑星自体を爆発させる. そして、それがさらに下に行くにつれて、ますます強力になり、最終的に分子を引き裂き、原子を引き裂き、最終的には宇宙そのものを引き裂きます.
ストロガッツ (16:50): あなたが説明したこの写真の下で、長さの目盛りを最大のものから最小のものまで下降しているように見えるのは本当ですか. その順番でいきますか?
マック (17:00): ええと、それは何ですか、それはますます強力になっています。 したがって、最も弱くバインドされているものを最初にアンバインドし、最大のものは最も弱くバインドされています。 そして、スケールがどんどん小さくなるにつれて、原子結合、核結合が好きになってきます。 したがって、より強力なバインディングのみです。
ストロガッツ: そうか。 そうか。
マック:そういう意味で成り立っていますね。
ストロガッツ (17:18): うわー、それは興味深いものです。物事は内部から引き裂かれるようになっています。宇宙がどのように膨張しているか、人々は「さて、それは何に膨張しているのか?」と言います。 すると、誰かが「いいえ、伸縮性のあるゴム風船の表面にドットを描いてください」と言います。 これは一種の宇宙定数です。 風船のドットが離れていくように聞こえます。 それらは、たとえば、銀河がさらに離れていることです。 Big Rip のバルーンの代わりになる写真はありますか? それははるかに暴力的に聞こえます。
マック (17:55): 私が風船の比喩を使っているときは、月の表面にいる小さなアリを想像してみてください。 そして、風船が大きくなるにつれて、アリはさらに離れていきます。 しかし、アリ自身はそのことにあまり注意を払っていません。 それらは一種の独自の小さなオブジェクトです。 Big Rip のシナリオでは、バルーンに銀河を描いてからバルーンを拡張した場合のようになります。 その写真では、銀河自体も大きくなります。 そのため、オブジェクト自体が大きくなります。 そして、ある時点で、風船自体が爆発するポイントに到達します。 あなたはその方法を理解することができませんでした。
(18:26) 詳細に関しては風船の例えに問題がありますが、それはあなたが持つことができる一種の絵です.
(18:53): さて、ほとんどの宇宙論者はビッグリップが起こるとは考えていません。 それは、宇宙のエネルギー条件に関する特定の規則を破ります。 ですから、エネルギーが宇宙をどのように移動するかについて、私たちが真実であるべきだと考えていることは、ファントムダークエネルギーがそれらのルールを破っています. したがって、シナリオとして実行可能ではない可能性があります。 とはいえ、観測を完全に除外することはできません。現在宇宙がどのように進化しているかを見ると、ビッグリップは次の内にほぼ確実に発生しないと言えます。 、200億年。 100%起こらないとは言えないからです。 しかし、私たちの測定に基づいて、時間に制限を設けることができ、特定の時間枠内でそれが起こらないことはほぼ確実であると言えます.
ストロガッツ (19:15): ええ。 さて、#3 に移りましょうか。 これは大型ハドロン衝突型加速器で学んだことから来ていると聞いたことがあります。巷では、これが最も可能性が高いとは思わなくても、これがあなたのお気に入りかもしれないということです。 真空崩壊理論と呼ばれています。
マック (19:33): ええ。 つまり、真空崩壊は、ラージ ハドロン コライダーがヒッグス粒子を発見したちょうどその頃に初めて知ったものです。 その時聞いたのは、ヒッグス粒子の発見を受けて、人々が真空崩壊に関する論文を書き始めたからです。 ヒッグス粒子の性質が真空崩壊の可能性を示唆していたからです。
(19:56) その背後にある考え方はこれです。 かなり技術的な話ですが、簡単に説明してみます。 つまり、ヒッグス粒子の興味深い点は粒子そのものではないということです。 ヒッグス粒子がヒッグス場の存在を暗示しているという事実です。 ヒッグス場は宇宙全体に存在する一種のエネルギー場です。 本質的に、大型ハドロン衝突型加速器が行ったことは、そのエネルギー場を励起し、そのエネルギー場から粒子を励起し、その粒子が識別されたものでした。 しかし、それは宇宙全体に存在するこのエネルギー場があることを意味します。 そして、そのエネルギー場には何らかの価値があります。 そして、そのエネルギー場をヒッグス場と呼んでいます。 そして、粒子がそのエネルギー場とどのように相互作用するかが、特定の粒子がどのように質量を持っているかについての全体的な話があります. そして、それはその全体像に結びついています。
(20:43) しかし、物理学の観点から、ヒッグス場について重要なことは、ヒッグス場が変化した非常に初期の宇宙で起こったプロセスがあったということです。 そのため、非常に初期の宇宙では、ヒッグス場は異なる値を持っていました。 この部屋の温度はどこでも値を持つという意味で、値を持つフィールドのようなものです。 温度フィールドを定義することができ、窓の近く、ドアの近くなど、さまざまな値があります。 ヒッグス場はどこでも同じ値を持つ場ですが、空間全体で特定の値を持つ場です。 それに付随するエネルギーを持っています。
(21:15) さて、ヒッグス場が取る値は、素粒子物理学が宇宙でどのように機能するかに関係があります。 つまり、非常に初期の宇宙では、ヒッグス場は異なっていました。 粒子はそれと異なる方法で相互作用し、宇宙には異なる粒子のセットがありました。 それらのどれも質量を持っていませんでした。 そして、宇宙にはさまざまな相互作用がありました。 私たちは、電気と磁気、そして強い核と弱い核の力の代わりに、異なる力のセットを持っていました。 ある種の力の組み合わせが存在し、さまざまな粒子が存在し、どれも質量を持っていませんでした。 そして、対称性の破れと呼ばれるイベントがあり、ヒッグス場が変化し、異なる値になりました。 そしてそれが起こったとき、それは私たちが現在宇宙で理解しているすべての粒子と燃料の存在を可能にしました. つまり、電子とクォークであり、電磁力と強い核力と弱い核力の存在を可能にしました。 すべてが、今日私たちが経験している種類の物理学に落ち着きました。 それは良いことでした。なぜなら、それは私たちが原子や分子を持つことができ、存在できることを意味するからです。
ストロガッツ (22:16): 申し訳ありませんが、ここで一時停止しなければなりませんでした。 「そしてそれは良かった」ですよね? そうですよね? 「光あれ。 そして、神はそれがよかったと見ました。」
マック (22:26): つまり、この場合、ヒッグス場が変化したこと、この対称性を破るイベントが発生したことを非常に嬉しく思います。 つまり、もしそれが起こらなかったら、私たちはそれについて幸せになるために存在していなかったでしょう. そこには完全な議論があります。 しかし、いずれにせよ、それは起こりました。 今、私たちは存在します。
(22:41) 問題は、ヒッグス粒子が発見されたとき、ヒッグス場の質量と他の粒子の質量の測定が、ヒッグス場がどのように進化してきたかについて、ヒッグス場が何をしているかについてのヒントを与えてくれることです。 そして、これらのヒントは、ヒッグス場が再び変化する可能性を示しているようです。 最初の変更が良かったのと同じように、それは本当に悪いことです。 それが再び変わると、私たちは存在できない状況に変わり、私たちの粒子はまとまりません. 自然の定数は変化するでしょう。 異なる力と異なる粒子があるでしょう。 それは私たちをいわゆるものに切り替えるでしょう 真の真空状態. 何も存在しないという意味での「真空」という意味ではありません。 真空状態は、本質的に物理がどのように機能するかの異なる状態です。 つまり、私たちは特定の真空状態にあるということです。 異なる真空状態が存在する可能性があります。 したがって、ヒッグス場が実際に変化する可能性がある場合、それは私たちがいる真空状態が偽真空と呼ばれることを意味します。 真の真空とは、宇宙が存在するような真空状態であり、ヒッグス場が存在するような真空状態です。そして、最終的には、十分に長く待てば、ヒッグス場はその真空状態に変化します。他の値になり、真の真空状態に進化します。
(24:01) そして、それが起こる方法は… 劇的です。 つまり、宇宙は一種の準安定状態であると考えることができます。つまり、「完全に安定していない」ことを意味します。たとえば、コーヒー カップをテーブルの端に置いた場合、テーブルの端にコーヒー カップを置きますが、何かがノックする可能性があります。それが外れると、落ちる可能性があり、実際には床に置かれます。 私たちのヒッグス場は潜在的にその種の状態にあると考えることができます. 必要なのは, それを別の状態にシフトするためには, あなたと同じ方法で直接ヒッグス場を妨害する必要があります.テーブルからコーヒーカップを落としてしまうかもしれません。 あるいは、これらの粒子とフィールドはすべて量子力学、量子力学の規則に依存しているという考えに頼る必要があります。量子力学によれば、コーヒー カップがとにかく床に落ちることもありますよね? 量子力学的な不確実性によると、粒子を壁の片側に置くと、反対側に現れることがあります。 それは量子トンネリングと呼ばれます。 これは、私たちが常に亜原子スケールで観測している現象です。 そしてそれはヒッグス場にも当てはまります。
(25:03) したがって、ヒッグス場を十分長く放置すると、最終的には宇宙のどこかにあるヒッグス場の XNUMX ビットが量子トンネルで別の状態になる状態で、ヒッグス場に関連するある種の減衰時間が存在します。 . そして、それは亜原子スケールの状態としては問題にならないかもしれません. しかし残念なことに、ヒッグス場の一部がこの新しい状態に移行して真の真空に移行すると、その周囲のすべてのヒッグス場も真の真空に陥ります。
ストロガッツ (24:33): ああ、そうですか。 つまり、全体に火がつくような連鎖反応があります。
マック: その通り。 その通り。
ストロガッツ:それが正しい言葉かどうかはわかりません。 しかし、ええ。
マック (25:35): ええ、ええ、テーブルの上にチェーンがあり、XNUMX つのリンクがテーブルから落ちた場合、それが落ちるときに他のすべてのリンクが引き下げられるようなものです。 そして、あなたはそのようなことが起こるでしょう。 このカスケードがあり、イベントが一点で発生するとすぐにその周りで発生し、真の真空状態のこのバブルが作成され、ほぼ光の速度で宇宙全体に膨張します.
ストロガッツ: ああ。
マック (25:58): それにはいくつかの理由があります。 1980つは、泡の端のようなもので、泡の壁にはそれに関連するエネルギーがあり、泡の壁があなたにぶつかると、すぐにあなたを焼却するでしょう。 また、泡の中に入ると、物理法則が異なるこの真の真空状態になり、粒子が結合しなくなります。 さらに、XNUMX 年代に行われた計算では、真の真空状態に入ると、そこの空間は根本的に重力的に不安定になることが示唆されました。 そのため、すぐにブラック ホールに崩壊します。
ストロガッツ:男、あなたはあらゆる方向からそれを手に入れます。
マック (26:34): その通りです。 もしこれが起こったら、もしこの量子事象が宇宙のある点で起こったら、その泡はほぼ光速で膨張し、宇宙のすべてを破壊します. そしてそれは起こっているので、光の速さであり、あなたはそれが来るのを見ません。 その信号があなたに届く頃には、それはすでにあなたの上にあります. しかしその一方で、神経インパルスはそれほど速く伝わらないので、それを感じることはありません。 しかし、あなたはただ瞬きして存在から消えてしまうでしょう。
ストロガッツ (27:04): つまり、宇宙は光の速度に比べても非常に大きいため、光の速度は興味深いことです。 つまり、13億光年離れたどこかで起こっている可能性がありますね?
マック (27:16): なるほど、なるほど。 宇宙の膨張によって光の速度よりも速く引き離されている宇宙の部分があることは確かです. ですから、その遠い地域でバブルが発生した場合、そのバブルは私たちには届きません。 しかし、それはどこでも同じ減衰率を持つ一種のランダムなイベントであるため、バブルが本当に遠くで発生した場合でも、近くで発生する可能性は同じです.
ストロガッツ:あはは。 わかりました。良い点です。
マック (27:40): 幸いなことに、現在のデータから推定できる減衰時間は、10 の 100 乗程度です。 ですから、すぐに起こるとは考えていません。 それが起こると私たちが考えるなら、それは今から非常に長い時間がかかることはほぼ確実です. しかし、これは量子現象であるため、放射性崩壊プロセスで特定の原子がいつ崩壊するかを予測できないのと同じように、それがいつ起こるかを正確に予測することは基本的に不可能です。 チャンクの半減期のようなものしか与えることができません。 同様に、宇宙についても、ここ10分以内にそれが起こらないとは断言できません。 おそらく、私たちの観測可能な宇宙では、次の 100 の 10 乗、または 500 の XNUMX 乗では起こらないと言えます。
(28:25) 心に留めておくべきもう XNUMX つの注意点は、これらの計算は、素粒子物理学の標準モデルについて私たちが知っていることを非常に真剣に受け止めていることに基づいているということです。 そして、この宇宙で粒子がどのように機能するかについての私たちの理解である素粒子物理学の標準モデルは、不完全であると私たちは考えています. 暗黒物質は含まれていません。 暗黒エネルギーは含まれていません。 穴が開いていることは間違いありません。 そして、素粒子物理学のより完全な全体像が本当にあれば、真空崩壊の可能性はまったく含まれていないかもしれません.
ストロガッツ: OK。
マック (28:58): つまり、真空崩壊は、私たちが考えていることを超えて推定するときに生まれるアイデアです。つまり、私たちの理論の有効性の限界です。 しかし、それは魅力的な可能性です。 私がそれをアイデアとしてとても楽しんでいる理由は、それが最も小さなスケールと非常に初期の宇宙と宇宙全体の破壊との間の非常に深いつながりだからです.
ストロガッツ (29:21): いいね。 右。 つまり、それはとても…。 ただ、このメカニズムには非常に基本的な何かがあり、物理法則全体が瞬く間に変化します. しかし、真空バブルの端、またはあなたがそれを呼んだものは何でもあなたにやってくるというこの考えは何という絵でしょう…. うわぁ。
マックええ。
ストロガッツ (29:42): 理論 4、理論 4 がここでフィールドに足を踏み入れる時が来ました。 これは、ビッグ クランチとして知られるシナリオであり、確かに暴力的で興味深いものに聞こえます。 ビッグクランチとは?
マック (29:56): そうですね、ビッグ クランチはかなり前からあるアイデアです。 これは、1960 年代に最も受け入れられたアイデアでした。 ビッグクランチの背後にあるアイデアは、宇宙が膨張していることを観測したことです。 そして、私たちが尋ねなければならない質問があります: 宇宙は永遠に広がり続けるのでしょうか? それともいつかまた崩壊するのでしょうか? つまり、宇宙が最初は小さく、熱く、密度が高かったことがわかります。 そしてそれ以来、それは拡大しています。 そして、そのストーリー全体で、拡張と重力の間に何らかの相互作用があるはずですよね? そのため、銀河が互いに引き離されるにつれて、空間の拡張によって、重力も互いに引き寄せられます。 したがって、宇宙の物質の存在は、すべてが他のすべてのものに引き付けられるという事実を通じて、膨張を遅らせるはずです.
(30:41) 何年にもわたって、拡張が勝つかどうかを見極めようとする試みがありました。 それとも重力が勝つ? そして、拡張が勝つ可能性が非常に高いことがわかりました。拡張が実際に加速していることがわかったからです。暗黒エネルギーが拡張を加速させているからです。 そのため、宇宙が停止して再び崩壊する可能性がある明確な方法はわかりません。 しかし、1960 年代には、宇宙が膨張を止め、最終的に再び崩壊するという意味で、膨張よりも重力の方が大きいことを予備的なデータが示唆しているように見えました。
(31:13) また、私は、これが今では好ましいアイデアではないと考えていることも言っておく必要があります。 しかし、暗黒エネルギーが何であるかがわからないため、それが好転する可能性があるものではないことは確かではありません. ご存知のように、それが現在拡大を引き起こしていることを私たちは知っています。 それが変化する可能性のあるものではないことはわかりません。それは、ある時点で拡張ではなく圧縮を引き起こす動的フィールドである可能性があります。
(31:34) ですから、確かなことはわかりませんが、現在のデータと矛盾しているように見えるため、ある意味では可能性が最も低いシナリオの XNUMX つかもしれませんが、最も恐ろしいシナリオだと思います。 宇宙があらゆるものを圧縮し始める可能性があるという考えは、本当に動揺しています。 なぜなら、今、私たちは銀河が遠ざかっているのを見ているからです。 私たちは、宇宙が冷えて空っぽになっているのを見ています。 宇宙が収縮し始めた場合、私たちが目にするのは、これらすべての遠方の銀河が私たちに向かって急いでいるのを見ることができるということです。 銀河は常に互いに衝突していましたが、遠く離れた銀河が私たちに近づき、宇宙は非常に密集して混雑していました.
(32:12) さらに悪いことに、宇宙のすべての放射線も圧縮されます。 それは、より多くの放射線がより小さな空間にあるという理由だけで、熱くなるだけではないことを意味します. しかし、すべての放射線は、より高いエネルギーの放射線、より高い周波数の放射線に硬化されます。 そのため、宇宙では赤方偏移と呼ばれる膨張中に発生するプロセスがあり、放射線がより長い波長に引き伸ばされます。 ご存知のとおり、可視光は赤外線になり、電波になります。 圧縮があれば、宇宙にこれまでに現れたすべての星からの可視光のすべてが、紫外線、X線、ガンマ線の光に圧縮され始めます. そして、この非常に深遠な方法で宇宙を料理し始めるでしょう。
(32:57) そして、1969 年に天文学者のマーティン リースが書いた非常に魅力的な論文がありました。彼は、このビッグ クランチ シナリオで、ある時点で、宇宙の周囲温度、あらゆる宇宙からの宇宙の放射を計算しました。圧縮された星の光は、星の表面に沿って熱核反応を引き起こすのに十分であり、宇宙の放射線だけで外側から内側に星を調理します. そして、その時点で、生き残ることはできません。 宇宙が私たちの周りで崩壊しているように、宇宙の放射によって私たちが調理される可能性があるという考えは、個人的にはかなり動揺しています。
ストロガッツ (33:38): ええ、興味深いのは、それがあなたを最も悩ませているということです。 いきなり行きたい? 煮ますか? フリーズしますか?
マック (33:49): そうですね。 右。 つまり、どれもうまくいきませんよね? しかし、熱死では、本当に長い時間があります。 それはいいですね。 あなたが知っている、それはすべての種類の優しいです。 真空崩壊では、来るのが見えません。 だから、何でも、あなたは気付かない。
ストロガッツ: OK。
マック (34:04): 意識のある存在の観点からすると、それは一種の非イベントです。 しかし、ビッグリップとビッグクランチの両方が来ることがわかり、それは非常に恐ろしいことです.
ストロガッツ (34:13): うーん。 私たちは今、最後のもの、バウンス、または私が子供の頃に脈動宇宙と呼ばれていたものを覚えていると思います. それは同じ考えですか?
マック (34:23) したがって、この場合、いくつかの異なるアイデアを循環宇宙またはバウンス宇宙の XNUMX つの広いカテゴリにまとめているようなものです。 そこにある考えは、本質的に宇宙の始まりを説明しようとするものです…. つまり、現在の宇宙論では説明が難しい初期宇宙の特定の側面があります。 どのように設定されたのですか? 私たちの宇宙は、空間の形に関して、なぜそのような形になっているのでしょうか? 私たちの宇宙は過去にエントロピーが十分に低かったのに、エントロピーが現在の状態まで未来に向かって増加している可能性があるのはなぜですか?
(34:54) これらはすべて、非常に最初から重要な問題です。 そして、こう言ってこれらの質問に答えようとする試みがいくつかありました。 今日存在する宇宙の条件を作り出した何かが、始まりの前にあったのかもしれません。」 それらはこれらの周期的な宇宙論につながります。 私たちが経験したビッグバンに進化した以前の宇宙があり、その後現在の宇宙に進化したという考え。 あるいは単に宇宙の絶え間ない循環があるところでは、私たちの前に何かがあったところで、私たちの後に何かがあるでしょう. そして、それらのアイデアの中には、新しいビッグバンへの一種の圧縮が含まれるものもあれば、ある種の熱死が含まれるものもあり、そこから新しいビッグバンが生まれます. 「前の段階があり、それが私たちの段階に発展しますが、将来は何も起こりません」というようなものもあります. つまり、これらは、私たちの宇宙の未来、または私たちの宇宙につながる前の宇宙の終わりの可能性のために選ばれるあらゆる種類のアイデアです.
ストロガッツ (35:48): この時点で、私は自分の…懐疑論者の帽子ではなく、科学者の帽子をかぶるのが好きだと思います。 場の量子論や一般相対性理論について私たちが知っていることと結び付けているという点で、あなたの言っていることには多くの科学が含まれているようです. しかし、観測はどうですか?
マック (36:05): ええ、基本的に、「宇宙はどのように終わるのか?」という質問に完全に確実に答えることはできません。 明らかに、それが起こった場合、私たちは答えを書き留めるためにそこにいないからです. しかし、この問題にアプローチする方法はいくつかあります。基本的に、私たちがやろうとしていることは、現在の宇宙と過去から未来への進化について私たちが知っていることを推定することです. そして、ここで、さまざまな可能性の分岐にたどり着きます。 進むことができるいくつかの異なる方向があり、これまでの宇宙の進化と一致する未来に進むことができるからです.
(36:37) これらの経路のどちらがより可能性が高いかについてより多くを教えてくれる、私たちが学ぶことができる観察的な事柄に関しては、それにアプローチするためのいくつかの異なる方法があります. 一つは、暗黒エネルギーを理解しようとすることです。 したがって、これらのシナリオのうち 100 つは、暗黒エネルギーとは何か、そしてそれがどのように作用するかに大きく左右されます。 では、暗黒エネルギーが本当に宇宙定数であることを理解できれば? それとも変化するものですか? それ自体は不可能な質問かもしれません。なぜなら、宇宙定数は、より広いクラスの暗黒エネルギーのアイデアの一種の特殊なケースであり、自分がまさにその状態にあることを XNUMX% 確実にすることは決してできないからです。
(37:16) 少しです — 観測的には、完全に確実にそこにいることは難しいですが、暗黒エネルギーの挙動についてますます確実性を得ることができます. そして、暗黒エネルギーの一種の理論的根拠を見つけることができるかもしれません。 おそらく、これが実際に暗黒エネルギーが何であるかについての答えであることを私たちに教えてくれる何らかの実験結果があるでしょう. そのため、宇宙観測や、暗黒エネルギーの基本的な物理学の可能性のある種類に到達できる実験的テストを通じて、暗黒エネルギーを理解しようとしています. これらはすべて、熱による死、ビッグリップ、ビッグクランチなど、膨張のダイナミクスに左右される種類のアイデアを区別するために探求し、試みることができる手段です。
(37:55) 真空崩壊のようなものに関して言えば、ヒッグス場と、その他の粒子および素粒子物理学の他の場との関係をよりよく理解すれば、ヒッグス場が偶数であるかどうかについてより良い考えが得られるでしょう。このように崩壊することができます。 そして、真空崩壊の可能性、ヒッグスポテンシャルが異なるスケールでどのように変化するか。 これらはすべて、Large Hadron Collider などの実験で積極的に研究されているものです。
(38:22) そして、周期的な宇宙について話しているときは、その始まりを理解する必要があるだけですよね? 観測を通じて、初期の宇宙データの一種の巧妙な分析を通じて、原始重力波のようなものを探して、宇宙のインフレーションが最初に発生したかどうかについて教えてくれるかもしれないことを通じて、非常に初期の宇宙についてより多くの情報を得ることができれば. 、または素粒子物理学の標準モデルが本当に有効であるかどうか、または空間のより高い次元が存在する可能性がある場合、他に何がその根底にあるのかを教えてくれる素粒子実験などを通じて、素粒子理論をよりよく理解することによって? それがこの質問の別の側面です。
(38:59) したがって、それらはすべて、周期的な宇宙が進むべき正しい方向であるかどうかを理解するために探すことができる場所です。 そして、ビッグバンの前に、今日の私たちの宇宙の条件を設定した何かがあったかどうか.
ストロガッツ (39:11): つまり、基本物理学内のさまざまな方法が、ここでの最善の策であるように思えます。 ウェッブ望遠鏡について話しましょう。多くの人がそれについて考えていると確信しているので、循環宇宙についての最後のケースで特にあなたが言及したことは、それが初期の宇宙で何が起こっているかについての非常に大きな問題であるということです. . ウェッブ望遠鏡は初期の宇宙について何かを教えてくれますが、私は十分に初期ではないと推測しています。 そうですか?
マック (39:35): ええ。 そのため、Webb 望遠鏡は銀河の初期世代について多くのことを教えてくれます。 暗黒物質の研究者として、暗黒物質が最初の銀河に与える影響は、さまざまな種類の暗黒物質モデルで大きく異なる可能性があるため、個人的には非常にエキサイティングです。 つまり、基礎物理学の特定の側面、暗黒物質のようなもの、本質的に非常に遠い銀河を観察する際の暗黒エネルギーについて、多くのことを学ぶことができます。 これらの銀河が増えるにつれて、宇宙の幾何学のより良い測定値が得られる可能性があります. ですから、銀河や宇宙の大規模な構造について多くのことを学ぶことができます。これらの観測から、JWST から何らかの情報を得ることができます。
マック (40:15): しかし、非常に初期の宇宙に関して言えば、宇宙のマイクロ波背景放射のようなものの観測です。 この種の光は、宇宙がまだ燃えていた非常に初期の宇宙からのものです。 しかし、それはまだこの種の高温放射段階にあり、熱と原初のプラズマからの放射で輝いていました。 マイクロ波望遠鏡を使えば、その輝きを見ることができます。 そしてそれは、非常に非常に初期の宇宙に関する非常に重要な情報を私たちに与えることができます.
ストロガッツ (40:42): 宇宙の終わりの研究分野についてどう思いますか? 今後 10 年から 20 年でどこに向かうのかについて何か考えはありますか? 私たちが基礎物理学に取り組み続けるということだけでしょうか。
マック (40:58): その通りだと思います。 宇宙の基本的な性質について、宇宙の構造、空間の形、潜在的な可能性などの意味で、私たちが学び続けていると思います。 空間と時間は、より抽象的な現象から生まれているのかもしれません。 ホログラフィーやブラックホールのようなものを通してそれを解明するかもしれません。 そして、私たちが入り込める別の分野があり、今はあまり大きくなりたくないのです. ですから、現実の基本的な構造について何かを学べるかもしれません。 暗黒エネルギーとは何かを知ることになるかもしれません。 暗黒物質が何であるかを学ぶかもしれません。 おそらく、これらのことは、基本的な素粒子物理学の理解に役立つでしょう。 おそらく、非常に初期の宇宙についてより多くの情報が得られ、宇宙の初期条件がどのように設定されたかについて何かがわかるでしょう.
(41:45) それらはすべて、それぞれ独自の方法で非常にエキサイティングですよね? そのすべての部分は、物理学にとって非常に重要なものであり、非常に重要な方法で宇宙についての私たちの考え方に革命をもたらすでしょう. そして副作用として、私たちの宇宙がどのように終わるか、私たちの最終的な運命がどうなるかについて少し学びます. ですから、宇宙に何が起こるかということに主な焦点を当てている人はほとんどいないと思います。 どうやって終わらせるの? 実際、現実の根本的な性質、宇宙の進化、宇宙の起源にたどり着くのは、これらの他の質問です。 そして、これらすべてが、私たちがどこに向かっているのかという大きな疑問につながります。 次はどうなるの?
ストロガッツ (42:27): すばらしい。 さて、私たちはこの本の著者である理論宇宙学者のケイティ・マックと話をしてきました すべての終わり (天体物理的に言えば). 本日はご参加いただき、誠にありがとうございました。 ケイティ、
マック (42:38): よろしくお願いします。 これは本当に楽しい会話でした。
アナウンサー (42:40)
クォンタマガジン 科学に対する一般の理解を深めるためにシモンズ財団が支援する編集上独立したオンライン出版物です。
ストロガッツ (42:57): なぜの喜び からのポッドキャストです クォンタマガジン、サイモンズ財団によってサポートされている編集上独立した出版物。 サイモンズ財団による資金提供の決定は、このポッドキャストまたはでのトピック、ゲスト、またはその他の編集上の決定の選択に影響を与えません。 クォンタマガジン. なぜの喜び スーザン・バロットとポリー・ストライカーがプロデュース。 編集者はジョン・レニーとトーマス・リンで、マット・カールストロム、アニー・メルチョー、アリソン・パーシャルがサポートしています。 私たちのテーマ音楽はリッチー・ジョンソンによって作曲されました。 コーネル放送スタジオの Bert Odom-Reed に感謝します。 私たちのロゴはJaki Kingによるものです。 私はあなたのホスト、スティーブ・ストロガッツです。 ご質問やご意見がございましたら、メールでお問い合わせください。 聞いてくれてありがとう。
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