ビッグバウンス

ビッグバウンス仮説は、既知の宇宙の起源に関する宇宙論モデルである。これはもともと、ビッグバンの周期モデルまたは振動宇宙解釈の一段階として提案されたもので、最初の宇宙的事象は以前の宇宙の崩壊の結果であった。^{[1] [2] [3] [4]}インフレーション理論が、宇宙の大規模構造を明らかにする観測の進歩から生じた地平線問題の解決策として浮上した後、1980年代初頭に真剣に検討されることはなくなった。

インフレーションは必然的に永遠であることが判明し、典型的に異なる特性を持つ無限の異なる宇宙を作り出し、観測可能な宇宙の特性は偶然の問題であることを示唆している。^[5]ビッグバウンスを含む代替概念は、地平線問題に対する予測可能かつ反証可能な解決策として考案された。^[6]調査は2022年現在も継続されている。 ^{[7] [8] [9] [10]}

ビッグバウンスの概念は、ビッグバンを収縮期の後の膨張期の始まりと想定している。 ^[11]この見方では、「ビッグクランチ」の後に「ビッグバン」が起こった、あるいはもっと簡単に言えば「ビッグバウンス」が起こったと語ることができる。この概念は、無限の宇宙の連続のどの時点でも我々が存在する可能性があること、あるいは逆に、現在の宇宙がまさに最初の反復である可能性があることを示唆している。しかし、「バウンス間の」間隔段階の条件（「原始原子の仮説」と考えられる）を完全に偶然性として考慮すると、そのような列挙は無意味になる可能性がある。なぜなら、そのような永続的な繰り返し（サイクル）が絶対的で区別がつかない場合、その条件は各瞬間に時間の 特異点を表す可能性があるからである。

ビッグバウンスの量子理論の背後にある主な考え方は、密度が無限大に近づくにつれて、量子泡の挙動が変化するというものです。真空中の光速を含む、いわゆる基本的な物理定数はすべて、ビッグクランチの間、特に測定が不可能な時間間隔（プランク時間の1単位、およそ10 ⁻⁴³秒）よりも短い時間間隔で一定である必要はありません。

ビッグバウンスモデルは、ウィレム・デ・ジッター、カール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカー、ジョージ・マクヴィッティ、ジョージ・ガモフ（「物理的な観点からは、崩壊前の期間については完全に忘れなければならない」と強調した）などの宇宙学者によって、主に美的観点から支持された。^[12]

1980年代初めまでに、観測宇宙論の精度と範囲の進歩により、宇宙の大規模構造は平坦で均質で等方性であることが明らかになり、この発見は後に、およそ3億光年を超えるスケールに適用される宇宙論的原理として受け入れられました。これにより、宇宙学者は地平線問題の説明を求めるようになりました。地平線問題は、宇宙の遠隔領域が光のような通信をすることなく、どのようにして同一の特性を持つことができるのかという疑問でした。解決策として、初期宇宙における空間の指数関数的膨張の期間が提案され、これがインフレーション理論として知られる理論の基礎となりました。短いインフレーション期間の後、宇宙はより遅い速度で膨張し続けます。

インフレーション理論のさまざまな定式化とその詳細な意味は、熱心な理論的研究の対象となりました。説得力のある代替案がないまま、インフレーションは地平線問題に対する主要な解決策となりました。

「ビッグバウンス」というフレーズが科学文献に登場したのは1987年で、ヴォルフガング・プリースターとハンス・ヨアヒム・ブローメがStern und Weltraumに発表した2本の論文（ドイツ語）のタイトルに初めて使われた。 ^[13]このフレーズは1988年に、ロシア語の書籍（別のタイトル）の改訂英語翻訳であるヨシフ・ローゼンタールのBig Bang, Big Bounceと、1991年にプリースターとブローメがAstronomy and Astrophysicsに発表した英語の論文にも登場している。このフレーズは、1965年にペンジアスとウィルソンが宇宙マイクロ波背景放射を発見し、ビッグバンモデルに対する一般の認識が高まった直後の1969年にエルモア・レナードが小説のタイトルとして使ったものである。

宇宙の初期に大きな跳ね返りが存在するという考え方は、ループ量子重力に基づく研究で多様な支持を得ている。ループ量子重力の一分野であるループ量子宇宙論では、2006年2月にペンシルベニア州立大学のAbhay Ashtekar、Tomasz Pawlowski、Parampreet Singhによって等方性および均質なモデルに対して大きな跳ね返りが初めて発見された。^[14]この結果は、さまざまなグループによってさまざまなモデルに一般化されており、空間曲率、宇宙定数、異方性、フォック量子化不均一性の場合も含まれる。^[15]

ペンシルベニア州立大学の物理学助教授マーティン・ボヨワルドは、2007年7月にループ量子重力に関する研究を詳述した論文を発表した。この論文はビッグバン以前の時間を数学的に解明し、振動宇宙とビッグバウンス理論に新たな重みを与えると主張した。 ^[16]

ビッグバン理論の主な問題の一つは、ビッグバンの瞬間に体積ゼロ、エネルギー無限大の特異点が存在することです。これは通常、私たちが知っている物理学、この場合は一般相対性理論の破綻として解釈されます。これが、量子効果が重要になり、特異点が回避されると予想される理由です。

しかし、ループ量子宇宙論の研究は、以前存在していた宇宙が特異点に崩壊するのではなく、重力の量子効果が非常に強く反発する点に崩壊し、宇宙が跳ね返って新しい枝を形成することを示していると主張しています。この崩壊と跳ね返りを通じて、進化は単一です。

ボヨワルドはまた、我々の宇宙を形成するために崩壊した宇宙のいくつかの特性は決定できると主張した。しかし、他の特性は不確定性原理のために決定できない。この結果はさまざまなグループによって異議を唱えられており、不確定性原理に起因する変動の制限により、跳ね返り全体の相対的な変動の変化には強い制約があることが示されている。^{[17] [18]}

ループ量子重力理論からビッグバウンスの存在はまだ証明されていないが、その主な特徴の堅牢性は正確な結果^{[19]とループ量子宇宙論における}高性能コンピューティングを用いた数値シミュレーションを含むいくつかの研究によって確認されている。

2006年には、ループ量子重力技術をビッグバン宇宙論に適用すると、周期的である必要のない跳ね返りにつながる可能性があることが提案されました。^[20]

2010年、ロジャー・ペンローズは一般相対性理論に基づく「共形周期宇宙論」という理論を提唱した。この理論は、宇宙はすべての物質が崩壊し、最終的に光に変わるまで膨張し続けると説明している。宇宙には時間や距離のスケールが関連付けられていないため、宇宙はビッグバンと同一になり、その結果、一種のビッグクランチが発生し、それが次のビッグバンとなり、次のサイクルが継続する。^[21]

2011 年、ニコデム・ポプラウスキは、特異でないビッグバウンドがアインシュタイン・カルタン・シアマ・キッブル重力理論で自然に現れることを示した。^{[22]この理論は、}アフィン接続の対称性の制約を取り除き、その反対称部分であるトーションテンソルを動的変数と見なすことで、一般相対性理論を拡張している。トーションとディラックスピノルの間の最小限の結合は、極めて高密度のフェルミオン物質で重要なスピン間相互作用を生成する。このような相互作用は、非物理的なビッグバン特異点を回避し、有限の最小スケールファクターでのカスプのようなバウンスに置き換え、それ以前は宇宙は収縮していた。このシナリオは、現在の宇宙が最大スケールで空間的に平坦、均質、等方性である理由も説明し、宇宙インフレーションの物理的な代替手段を提供している。

2012年、標準アインシュタイン重力理論の枠組みの中で、特異でないビッグバウンスの新しい理論が構築されました。^{[23]この理論は、物質バウンスと}エキピロティック宇宙論の利点を組み合わせたものです。特に、均質で等方的な背景宇宙論解では、BKL不安定性は異方性応力の増加に対して不安定ですが、この理論ではそれが解決されています。さらに、物質収縮で生じた曲率摂動は、ほぼスケール不変の原始的パワースペクトルを形成できるため、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の観測を説明する一貫したメカニズムを提供できます。

いくつかの情報源は、ULAS J1342+0928 ^[24]のような、ビッグバン直後にその大きさを説明するのが難しい遠方の超大質量ブラックホールは、ビッグバウンドの証拠である可能性があり、これらの超大質量ブラックホールはビッグバウンドの前に形成されたと主張している。^{[25] [26]}

2023年5月にフィジカル・レビュー・レターズ誌に発表された研究によると、ビッグバウンスは宇宙マイクロ波背景放射（CMB）として知られる原始光に痕跡を残しているはずであるが、プランク衛星による観測と、宇宙が一度だけ跳ね返った場合のシミュレーションによるCMBとを比較したところ、その特定の跳ね返りの痕跡は発見されなかった。^[27]

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