宇宙定数問題

宇宙論において、宇宙定数問題または真空破局とは、観測された真空エネルギー密度の値（宇宙定数の小さな値）と、量子場理論によって示唆されるはるかに大きな零点エネルギーの理論値との間の大きな不一致のことである。

プランクエネルギーのカットオフやその他の要因によって、有効宇宙定数に対する量子真空エネルギーの寄与は、実際に観測されたものよりも50桁から122桁も大きいと計算されている^{[ 1 ] [ 2 ]} 。物理学者たちはこの状況を「科学全体における理論と実験の間の最大の不一致」^{[ 1 ]}、「おそらく物理学の歴史上最悪の理論的予測」^{[ 3 ]と表現している。}

真空空間に零点放射エネルギーが存在するという考えは、1916年にヴァルター・ネルンストによって提唱された。 ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} 彼はその値がゼロか非常に小さいかのどちらかであると予測した。1926年、ヴィルヘルム・レンツは「観測された最短波長λ ≈ 2 × 10 ⁻¹¹ cmの波を許容し、この放射を物質密度（u / c ² ≈ 10 ⁶）に変換して観測可能な宇宙の曲率に寄与するとすれば、観測可能な宇宙の半径が月にも届かないような真空エネルギー密度が得られるだろう」と結論付けた。^{[ 7 ] [ 6 ]}ヴォルフガング・パウリも1933年に同じ結論に達した。 ^{[ 8 ] [ 9 ]}真空エネルギーが宇宙の膨張に関係しているという考えは、 1934年にジョルジュ・ルメートルによって提唱された。^{[ 8 ]}

1940年代の量子場理論の発展と1950年代の宇宙膨張の観測の後、宇宙定数への量子ゆらぎの寄与を最初に扱ったのは、1960年代のヤコフ・ゼルドビッチであった。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 8 ]}量子力学では、真空自体が量子ゆらぎを経験するはずである。一般相対性理論では、これらの量子ゆらぎは宇宙定数に加算されるエネルギーを構成する。しかし、ゼルドビッチが計算した真空エネルギー密度は、観測された宇宙定数よりも40桁も大きかった。^{[ 8 ]}

1970年代には、電弱相互作用の発見により、自発的対称性の破れによる宇宙定数への別の寄与が加わり、不一致が増大した。^{[ 8 ]}後に不一致の度合いは120～122桁にも達すると推定された。^{[ 12 ] [ 13 ]}現代の研究では、ローレンツ不変性を考慮に入れると、不一致の度合いは60桁に近いと示唆されている。^{[ 13 ] [ 14 ]}

1980年代にインフレーション宇宙論が発展すると、この問題はより重要になった。宇宙のインフレーションは真空エネルギーによって駆動されるため、真空エネルギーのモデル化の違いは、結果として得られる宇宙論に大きな違いをもたらす。かつて信じられていたように真空エネルギーが厳密にゼロであれば、標準的なΛ-CDMモデルによれば、宇宙の膨張は観測されているように加速しないだろう。^{[ 15 ]}

1989年、スティーブン・ワインバーグは、宇宙定数へのさまざまな寄与は、一般的な条件下では、値を微調整しない限り相殺できないことを示した。この結果は、ワインバーグのノーゴー定理として知られるようになった。^{[ 8 ] [ 12 ]} 2000年代には、ワインバーグは、非ゼロの値に一致する理論を見つけることからなる、新しい宇宙論的問題と呼ばれることもあるものも提案した。新しい宇宙論的問題は、しばしば宇宙の一致問題（今日、暗黒物質と暗黒エネルギーのエネルギー密度が同じオーダーであるという事実）と同一視される。 ^{[ 8 ] [ 16 ] [ 17 ]}

プランク衛星による2015年_の測定に基づく宇宙の真空エネルギー密度はρvac =5.96 × 10 ⁻²⁷  kg/m ³ ≘5.3566 × 10 ⁻¹⁰  J/m ³ =3.35  GeV/m ^{3 [ 18 ] [注 1 ]}または約2.5 × 10 ⁻⁴⁷  GeV ⁴（幾何単位）。

2012年にパリ天体物理学研究所のジェローム・マルタンが行った評価では、予想される理論上の真空エネルギーのスケールは約10 ⁸ GeV ⁴であり、約55桁の差がある。^{[ 13 ]}

重力を修正して一般相対性理論から逸脱させる提案もある。これらの提案は、これまでの観測や実験の結果が一般相対性理論やΛCDMモデルと極めて一致しており、これまでに提案された修正とは一致しないというハードルに直面している。さらに、提案の中には不完全なものもある。なぜなら、実際の宇宙定数は微小な数ではなく正確にゼロであると提案することで「新しい」宇宙定数問題を解決しているものの、量子ゆらぎがそもそも実質的な真空エネルギーを生み出さないように見える「古い」宇宙定数問題を解決できていないからである。それにもかかわらず、多くの物理学者は、より良い代替案がないこともあって、重力を修正する提案は宇宙定数問題に取り組む「最も有望な方法の1つ」とみなされるべきだと主張している。^{[ 21 ]}

ビル・アンルーとその共同研究者らは、量子真空のエネルギー密度を変動する量子場としてより正確にモデル化すると、宇宙定数の問題は生じないと主張している。^{[ 22 ]}ジョージ・F・R・エリスらは、別の方向から、ユニモジュラー重力では、厄介な寄与は単純に重力を持たないと示唆している。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}最近、トレースフリーのアインシュタイン重力の運動方程式を与える、微分同相写像に完全不変な作用原理が提案され、宇宙定数は積分定数として現れる。^{[ 25 ]}

スタンリー・ブロツキーとロバート・シュロックによる別の議論では、光フロント量子化では、量子場理論の真空は本質的に自明になる。真空期待値がない場合、量子電磁力学、弱い相互作用、量子色力学は宇宙定数に寄与しない。したがって、平坦な時空ではゼロになると予測される。^{[ 26 ] [ 27 ]}光フロント量子化の洞察から、宇宙定数問題の起源は、標準計算における非物理的な非因果項に遡り、それが誤って大きな宇宙定数の値につながる。^{[ 28 ]}

2018年に、物質がゼロでない圧力を示すラグランジュ形式における対称性の破れポテンシャルの使用を通じてΛを相殺するメカニズムが提案された。このモデルは、標準物質が宇宙定数による作用を相殺する圧力を提供すると仮定している。LuongoとMuccinoは、このメカニズムにより、量子場理論が予測する真空エネルギーを取ることができるが、バリオンと冷たい暗黒物質による相殺項によってのみ巨大な大きさを取り除くことができることを示した。^{[ 29 ]}

1999年、アンドリュー・コーエン、デビッド・B・カプラン、アン・ネルソンは、有効量子場理論における紫外カットオフと赤外カットオフの間の相関関係が、コーエン・カプラン・ネルソン（CKN）境界により、理論上の宇宙定数を測定された宇宙定数まで減少させるのに十分であると提唱した。^{[ 30 ]} 2021年、ニキータ・ブリノフとパトリック・ドレイパーは、ホログラフィック原理を通じて、CKN境界が測定された宇宙定数を予測し、より極端でない条件下での有効場理論の予測を維持することを確認した。^{[ 31 ]}

人間原理に基づく解決策を提案する者もおり、^{[ 32 ]}私たちが住んでいるのは、真空エネルギーが異なるさまざまな領域が存在する広大なマルチバースの 1 つの領域であると論じている。これらの人間原理に基づく議論では、私たちが住んでいるような真空エネルギーが小さい領域だけが、知的生命を支えることができると想定している。このような議論は、少なくとも 1981 年以来、何らかの形で存在してきた。1987 年頃、スティーブン・ワインバーグは、重力によって束縛された構造が形成されるために許容される最大真空エネルギーは、1987 年当時入手可能な観測データを考慮しても問題のあるほど大きいと推定し、人間原理に基づく説明は失敗しているように見えると結論付けた。しかし、ワインバーグらによる最近の推定では、他の考慮事項に基づいて、その限界は実際に観測されたダークエネルギーのレベルに近いことがわかっている。^{[ 33 ] [ 34 ]}ダークエネルギーの発見と理論弦理論の発展後、人間原理に基づく議論は多くの物理学者の間で徐々に信憑性を増したが、検証が困難であるとして科学界の相当数の懐疑的な人々からは依然として嘲笑されている。人間原理に基づく解決策の支持者自身も、さまざまなダークエネルギー定数を持つ宇宙の領域の割合をどのように計算するかという複数の技術的な問題で意見が分かれている。^{[ 33 ] [ 21 ]}

• 物理学における未解決問題一覧
• 紫外線の破局― 黒体放射が周波数とともに際限なく増大するという古典物理学の予測 
• 宇宙の偶然の一致問題– 宇宙論における数値観測 

• オドゥード、マット（2019年1月24日）。「宇宙論の危機」。PBS Spacetime。2021年12月20日にオリジナルからアーカイブ済み– YouTube経由。
• 「物理学における最悪の予測」。YouTube 。フェルミ国立加速器研究所。2024年3月14日。（フェルミ国立加速器研究所のドン・“ドクター・ドン”・リンカーン氏による動画）