宇宙はどのように始まったのか……

これまで多くの物理学者たちが挑んできた難問だ。

火の玉から始まったとするビッグバン理論が有名だが、

未だよくわかっていない点も多い。

そこで提唱されたのが「インフレーション理論」である。

本連載では、インフレーション理論の世界的権威が、

そのエッセンスをわかりやすく解説。

宇宙創生の秘密に迫る、

物理学の叡智をご紹介する。

佐藤勝彦著

『インフレーション宇宙論　ビッグバンの前に何が起こったのか』

インフレーション理論は、

素粒子のような小さな宇宙を巨大な

「火の玉宇宙」にすることができるという理論です。

きわめて小さかった初期の宇宙は、

エネルギー的にも真空のエネルギーはあったものの、

ほとんどゼロでした。

ところが、

インフレーションが終わった直後の宇宙は、

相転移によって真空のエネルギーが

熱エネルギーに変わり、

火の玉になっている状態です。

熱エネルギーがあるということは、

膨大な量の素粒子が生まれて、

ものすごく高速で動いているということでもあります。

こう言うと、

疑問を持たれる方も少なくないでしょう。

まるでインフレーションは見かけ上は

何もないところから、

「ただ」で宇宙の物質やエネルギーを

つくっているように見えるからです。

「エネルギー保存の法則はどうなっているのか」

と思われるのは当然でしょう。

しかし実際、

インフレーションは「ただ」で物質や

エネルギーをつくったといえるのです。

もちろん、

ここまでの議論に使っているアインシュタインの

相対性理論は、

エネルギー保存則を満たす方程式です。

アインシュタインの方程式とあわせて使った

力の統一理論の方程式も同様なのは言うまでもありません。

にもかかわらず、

これらの方程式から「ただ」でものがつくれる

というのは確かにおかしなことで、

これはまさにマジックといえそうです。

はたしてその理由とは何でしょうか？

そのからくりは、

真空のエネルギーの特殊性で説明することができます。

実は、真空のエネルギーは不思議なことに、

宇宙がどんなに大きく膨張しても、

密度が小さくなることがないのです。

普通の物質を考えてみましょう。

箱の中に物質を入れておいて、

箱の大きさを2倍、3倍にしていくと、

物質の密度は、2分の1、3分の1になっていきます。

当たり前のことです。

しかし、

真空のエネルギーは、密度が決して小さくなりません。

宇宙の大きさ（体積）が100桁大きくなっても、

宇宙の中にある真空のエネルギーの密度は

変わらず同じなので、

真空のエネルギー量は体積が100桁増えた分だけ、

大きくなるのです。

このようにして大きくなった真空のエネルギーが、

相転移で熱エネルギーに変わることによって、

宇宙は火の玉になるのです。

こう言うと違和感があるかもしれませんが、

真空のエネルギーは空間そのものに対しては

押し広げる力を持っています。

しかし、

空間内の物質に対してはマイナスの圧力を持っていて、

収縮しようとする力が働きます。

ほかにちょっと例のない特殊なエネルギーなのです。

 真空のエネルギーはまるで「ゴム」？

このことは、真空のエネルギーがある宇宙を、

ゴムのようなものと考えるとわかりやすいでしょう。

ゴムが引き伸ばされると、

ゴムの中の縮もうとするエネルギーが増加しますね。

これと同じように、

宇宙が引き伸ばされる（膨張する）と、

宇宙の中の真空のエネルギーも収縮しようとして

増加するのです。

つまり、

宇宙が膨張すること自体が真空のエネルギーを

増加させるのです

（図「引き伸ばされると真空のエネルギーは増加する」）。

真空のエネルギーがどこから生まれるのかは、

重力の「ポテンシャルエネルギー」

という言葉でも説明できます。

たとえば、

太陽の近くに小さな粒子を

置いたと想像してみてください。

最初、止まっていた粒子は、

やがて重力によってどんどん加速しながら

太陽に向かって落ちていくはずですね。

これは一見、

何もないところから運動エネルギーが

生まれたようにも思えますが、

実は粒子が太陽に引っ張られるエネルギー、

つまり粒子のポテンシャルエネルギーが、

運動エネルギーに転換されたのです。

インフレーションによって宇宙空間が

急激な膨張をしているときも、

これと同様です。

膨張とは、

ポテンシャルエネルギーで見れば

落下しているのと同じ状態なのです。

最初に生まれたときは、

宇宙空間のポテンシャルエネルギーは最大です。

ところが、

落下するように膨張することで

ポテンシャルエネルギーは小さくなり、

かわりに、

まるで「無」から生まれたように

真空のエネルギーがどんどん大きくなります。

その真空のエネルギーが、

相転移のときに潜熱となって熱エネルギーに変わり、

宇宙は火の玉になるわけです。

これが、

エネルギーの動きから見たインフレーション理論です。

ですから本当に、

ほとんど無のような状態からエネルギーを

つくっているというメカニズムになっているわけです。

ここまで見てきたようにインフレーション理論は、

従来あったビッグバンモデルの問題点を

いくつも解決しました。

そのため現在では、

宇宙初期を考えるときの標準的な

パラダイムになっています。

「パラダイム」とは、

完全に証明されたわけではないけれども、

ひとつの学問分野として研究者たちがそれを信じて、

研究を進めているものと

理解していただければよいと思います。

ほんとうに宇宙は「無」から始まったのか

これまで、私たちの住む宇宙が、

どのようにして現在のように

巨大になったのかということを、

インフレーション理論を用いて説明してきました。

しかし、

こうした話は少なくとも、

もともと時空（＝宇宙）というものがあったことが

前提になっています。

たとえどんなに小さくても、

最初に時空がなければ、

宇宙の膨張という話もできないわけです。

では、「その時空はどのようにしてできたのだ」と

問われたら、

どう答えればよいのでしょうか。

「私たちの宇宙はお母さんの宇宙から生まれ、

お母さんの宇宙はおばあさんの宇宙から生まれて…」

と答えても、無限に続いていくだけで、

質問に答えたことにはなりません。

時空の、

宇宙のそもそもの起源について、

われわれは物理学者として

語らなければならないのです。

この問いについて私は、

インフレーション理論を創って

2年目くらいの時期に、

友人であるアレキサンダー・ビレンケンと

議論をしたことがあります。

彼が語ったのは、

「無からの宇宙創生」という考えでした。

のちに彼は、

“Creation of universes from nothing”

と題した論文を書きました。

つまり、

「宇宙は無（nothing）からできた」というわけです。

ただし、

彼の言う「無」とは、われわれが考えがちな、

宇宙空間に物質が何もない状態という意味の

無ではありません。

「時間も空間もエネルギーもない状態」のことです。

その、宇宙創生前のまったくの無の状態から、

量子重力理論という考え方を使えば、

ある有限の大きさを持った宇宙が

ポッと生まれるというのです。

ドゴン族に伝わる民話

無から宇宙ができたという考え方は、

世界の民話の中にも見られます。

サハラ砂漠に住んでいる

ドゴン族という民族の持つ民話も、

そのひとつです。

たしかに神話や民話では、

宇宙創生は無限の連鎖になることが多いですから、

無からできるというのも至極当然のことなのかもしれません。

しかし、

われわれ物理学者が「宇宙は無からできる」と言うと、

当然、

「おまえはエネルギー保存則を知っているのか」

と問われることになります。

もちろんビレンケンも、

きちんと物理法則にもとづいたかたちで

「無からの宇宙創生」が可能だという

理論を展開しているのです。

彼は、この「無からの宇宙創生」を、

ミクロの世界を支配している

量子論の法則にもとづいて考えました。

ここで「トンネル効果」が登場！

読者のみなさんの多くは、

江崎玲於奈先生が1973年にノーベル賞を

受賞したことを知っていると思います。

受賞の理由は、

「トンネル効果」の発見でした。トンネル効果とは、

電子が本来は通過することができないはずのところを、

ある確率で通過することができるという現象です。

 

 

図：トンネル効果による無からの宇宙創生

この図で原点（“無”の状態）の場所にボールがあり、

その隣に小さな山があるとすると、

通常、

ボールは山に阻まれて右側に行くことはできないため、

永遠に原点でじっとしていると考えられます。

ところが、

量子論に従うと、ボールは同じ場所でじっと

静止していることはありません。

必ずこの場でゆらいでいます。

振動をしているのです。

原点は“無”の状態ですからボールは

エネルギーも持たない点のはずですが、

量子論では点にもゆらぎがあるのです。

とは言っても、

それは小さな振動であり、

右側の山を乗り越えるようなことはありません。

しかし、

量子論には「トンネル効果」という現象があって、

ボールがあたかも自分で山の中に

トンネルを掘ったかのように、

山の向こう側（点L）にポッと現れることがあるのです。

それはとても小さな確率ではありますが、

そういうことが起こりえるのです。

そして、

もしトンネル効果によっていったん山の右側に現れれば、

ボールはそこから斜面を急激に転げ落ちていきます。

ビレンケンは、

これと同じことを宇宙に当てはめて考えたのです。

図「トンネル効果による無からの宇宙創生」で、

縦軸はボールの大きさを決める

ポテンシャルエネルギーとします。

横軸は宇宙の大きさです。

つまり、

原点は宇宙の大きさもエネルギーもゼロ、

“無”の状態です。

それがトンネル効果によって、

非常に小さいながらもある確率で、

ポッと山を越すようにして、

限りなくゼロに近いものの

有限の大きさを持ってLに現れるのです。

現れてしまえば、

あとは斜面を転げ落ちるように、

宇宙はどんどん大きくなっていくというのです。

なお、

ここではあまり詳しく説明できませんが、

トンネル効果によって

宇宙が現れるまでは数学的には

「虚数」の時間で表されます。

非常に小さいながらも宇宙が

有限の大きさを持って現れてからは、

私たちが現在使っているのと同様の

実時間で表されます。

少し荒っぽい説明ですが、

これがビレンケンの理論の概要です。

このように、

量子論で考えるならば宇宙は

「無から創る」ことが可能であり、

実は宇宙が急激に膨張することが、

トンネル効果の説明で示した坂道を転げ落ちる

ことに対応しているのです。

さきほどインフレーションとは

ポテンシャルエネルギーが落下していく

ようなものだと話しましたが、

まさに坂道を転げ落ちているわけです。

「宇宙は膨張しているのに落下しているとは

どういうことだ？」と思われるかもしれませんが、

アインシュタイン方程式から見ると、

膨張とは、

まさにポテンシャルの坂を落下するような

状態と思っていただいてよいのです。