宇宙論の危機は隠された次元が実際に存在することを意味するかもしれない

昨年、暗黒エネルギー分光装置（DESI）に取り組んでいる宇宙学者らは、宇宙の膨張を引き起こしていると考えられている謎の暗黒エネルギーが時間の経過とともに弱まりつつある可能性があるというヒントを報告した。これらの驚くべき発見が正しいことが証明されれば、結局のところ、暗黒エネルギーは宇宙定数、つまり空の空間のエネルギーを表す方程式の固定項にはなり得ないことになります。この爆弾発言がヒットしたとき、話題のほとんどは、宇宙の進化を説明する最善の試みであるラムダ CDM として知られる宇宙論の標準モデルにとって、それが何を意味するかに焦点を当てました。

結果が確固たるものであれば、より良い理論を構築するために必要な手がかりが最終的に得られるかもしれません。すでに研究者たちは、ダークエネルギー、そしておそらくはダークマターや重力についても再考することに忙しい。

しかし、もし暗黒エネルギーの強さが宇宙の時間の経過とともに本当に減少するのであれば、その影響はさらに広範囲かつより深く及ぶ可能性がある。宇宙の運命についての私たちの理解を変える代替宇宙論の支持者たちに新たな刺激を与える可能性があるという意味で、より広い意味で。そして、それは時空の最も深い構造について何か深いことを私たちに伝えているかもしれないからです。 「多くの物理学を変える非常に興味深い可能性が確かにあります」と彼は言います。 エリック・リンダー、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者および宇宙学者。

ラムダ CDM によると、宇宙はその最初の瞬間に、一瞬の指数関数的な膨張を経験しました。インフレーションとして知られるこの説明は、なぜ宇宙が最大スケールで非常に滑らかで平らで均質であるかの理由を提供しているようです。しかし、インフレには批判者がおり、その中で最も顕著なのが ポール・スタインハート、プリンストン大学の物理学者。同氏は「インフレは機能しない」と率直に言い、インフレにはありそうもない初期条件が必要で、柔軟性が高すぎるため、多くの人が信じがたいと考える多元的なシナリオにつながると付け加えた。

循環する宇宙

スタインハートは長い間、次のような対立仮説を主張してきました。 循環する宇宙、 宇宙は無限に膨張、収縮し、跳ね返ります。しかし、そのようなモデルを機能させるには、ダークエネルギーが進化する必要があります。

「それは、宇宙の膨張の加速を止め、減速を始め、最終的には収縮を引き起こし、跳ね返りと新たなサイクルを引き起こす、ある種の減衰する暗黒エネルギーに違いない」とスタインハルト氏は言う。少なくともその最初の部分、つまり拡大の加速が鈍化しているということは、まさに私たちが DESI データで見ているように見えることです。

これは、DESI の結果が周期宇宙論の証拠を提供していると言っているわけではありません。測定と分析では体系的な誤差がまだ見つかる可能性があり、暗黒エネルギーが収縮や跳ね返りをまったく生じずに弱まる可能性は十分にあります。しかし、もし暗黒エネルギーの衰退の兆しが確かなものになれば、スタインハートの長年の議論に信憑性が加わることになるだろう。 「私は非常に保守的で、非常に忍耐強い傾向があります」と彼は言います。 「しかし、私が言いたいのは、ゲームはこれからだということだ。」

同じことが、DESI の結果によって腕に打撃を受けた別の物議を醸すアイデアにも言えます。大まかに言えば、弦理論では、すべてのものは最終的には消えるほど小さな弦で構成され、隠れた余分な次元に圧縮され、その振動が私たちが識別するさまざまな粒子や力として現れると言われています。この理論は、量子重力理論への道を提供し、量子理論と一般相対性理論を調和させて、一部の人々が万物の理論と呼ぶものにできると思われたため、1980 年代に注目を集めました。

しかし、弦理論学者は、小さな正の宇宙定数を使って宇宙のモデルを構築することに長い間苦労してきました。 2018 年と 2019 年に発表された一連の論文の中で、理論物理学者 カムルンダウト ハーバード大学の博士らは、スワンプランド予想として知られる一連の提案に基づいて構築した。この予想は、一貫した量子重力理論から導き出される粒子、力、時空の理論と、それが不可能な理論を区別することを目的としている。このフレームワークを使用して、彼らはダークエネルギーを示唆しました。 宇宙定数になることはできません しかし、その代わりに、インフレを引き起こしたと考えられているものと同様の、時間の経過とともにエネルギーが変化する一種の場でなければなりません。

当時、そのような提案は、暗黒エネルギーは宇宙の時間にわたって変化しないという長年の信念と矛盾していました。 「人々は『暗黒エネルギーは一定であるため、弦理論は除外される』と言っていました」とヴァファ氏は言う。

隠れた次元

しかし、彼と同僚は粘り強く続けた。 2022 年に、彼らは時空が持つモデルを提案しました。 大きな隠された余分な次元おそらくマイクロメートルほどの大きさで、そのサイズは宇宙時間の経過とともに徐々に変化します。この次元の幾何学構造が変化すると、私たちが観察する宇宙のエネルギー量も変化します。研究者らは、これはゆっくりと弱まる暗黒エネルギーとして現れるだろうと主張した。 「エキゾチックなものは何もない [here] 「超弦理論の観点から見ると、超次元が変化しており、暗黒エネルギーと暗黒物質の両方がそれに反応しています。」とヴァファ氏は言う。

DESI の結果が弦理論学者にとってなぜ興味深いのかは簡単にわかります。Vafa と彼の同僚は、暗黒エネルギーが徐々に弱まっていくはずだと予測していましたが、現在それが私たちが目の当たりにしているようです。実際、Vafa と彼のチームが 2025 年に DESI データを他の宇宙論データセットと組み合わせて分析したところ、 モデルはラムダ CDM よりもはるかによく適合します ダークエネルギーの進化を可能にする従来の最高のモデルとほぼ同様です。ここでの違いは、彼らのモデルには私たちが見ているものの物理的な説明が含まれていることだと彼は言います。 「これが私がとても興奮している理由です」と彼は言います。 「とても満足です。」

明確にしておきますが、DESI の結果は弦理論の具体的な証拠を提供するものではありません。まず第一に、宇宙論的定数よりも進化する暗黒エネルギーをどの程度好むかは、他のどの宇宙論的データセットと組み合わせるかによって決まります。さらに、隠れた追加ディメンションを呼び出さない非文字列モデルは、既存のデータにも同様によく適合します。

しかし、DESI データが維持され、統計的有意性が発見レベルまで増大すると仮定すると、弱化の証拠は弦理論に対する経験的な障害を取り除くだけでなく、弦理論がテスト可能な予測を提供しないという議論も弱めることになります。 「私たちは何年も前にこのモデルを思いつきました」と Vafa 氏は言います。 「現在、彼らはそれを観察していますが、それは私たちが予想していたものとまったく同じようです。」

しかし、これがひも理論を裏付ける観測証拠を提供する可能性があるという考えを生かすには、Vafaのような理論家は、非ひも理論とは異なる、より正確な予測を行うより鮮明なモデルを構築し、それが他の選択肢よりも宇宙論的データの全範囲によく適合することを示す必要があるだろう。興味深いことに、このフレームワークは、暗黒物質がどのように進化するかについての標準的な図からの逸脱や、マイクロメートルスケールでの一般相対性理論からの逸脱など、追加の検証可能な兆候をすでに示唆しています。

宇宙学者の中には、DESI の結果が基礎物理学にまったく影響を与えていないことを確信していない人もいます。 「暗黒エネルギーは特定の規模で作用しており、それについて私たちは話すことができます」と彼は言います。 ペドロ・フェレイラ、オックスフォード大学の宇宙学者および天体物理学者。 「[When it comes to] 量子レベルで何が起こるかというと、私たちがそこまで行くことはできないと思います。」

しかし、特に時空の深い量子構造を初めて垣間見ることができるかもしれないという理由から、これらのヒントが宇宙論をはるかに超えた波紋をもたらす可能性があるという可能性にオープンな人々もいます。 「Cumrun Vafa が考え出したものは、私がこれまで見た中で最も興味深いものです」と彼は言います。 マイク・ターナー、イリノイ州シカゴ大学の宇宙学者。 「ここで宇宙論と素粒子物理学が結びつきます。私たちは本当に基礎的なことを研究しているので、波及効果は計り知れないものになる可能性があります。」