宇宙論的原理

現代の物理宇宙論において、宇宙原理とは、宇宙における物質の空間分布は、十分に大きなスケールで見ると均一に等方的かつ均質であるという考え方である。これは、力が宇宙全体に大きなスケールで均等に作用すると想定されるため、ビッグバンによって最初に形成された物質場の進化の過程で、大規模な構造に観測可能な不平等が生じることはないはずである。

天文学者のウィリアム・キールは次のように説明する。

宇宙論原理は通常、「十分に大きなスケールで見れば、宇宙の性質はすべての観測者にとって同じである」と正式に述べられる。これは、我々が見ることができる宇宙の部分は公平なサンプルであり、同じ物理法則が全体に適用されるという、非常に哲学的な主張に相当する。本質的に、これはある意味で、宇宙は知り得るものであり、科学者に対して公平であるということを示している。^{[ 1 ]}

アンドリュー・リドルが言うように、「宇宙原理とは、あなたが誰であろうと、どこにいようと、宇宙は同じように見えるということである。」^{[ 2 ]}

宇宙原理の検証可能な構造的帰結は、均質性と等方性の2つである。均質性（一定の密度）とは、宇宙の異なる場所にいる観測者にとって、同じ観測証拠が得られることを意味する。等方性（あらゆる方向から見て同じように見えること）とは、宇宙のどの方向を見ても同じ観測証拠が得られることを意味する。等方性は均質性を意味するが、均質な宇宙でも異方性を持つ可能性がある。^{[ 3 ]： 65}

宇宙論的原理は、アイザック・ニュートンの『自然哲学の数学的原理』（1687年）において初めて明確に主張された。地球が宇宙の中心に位置するとされていた、それ以前の古典的あるいは中世の宇宙論とは対照的に、ニュートンは地球を、あらゆる方向に均一に広がり、計り知れないほど遠くまで及ぶ空虚な空間の中で、太陽の周りを公転する球体として概念化した。そして、惑星や彗星の運動に関する詳細な観測データに基づいた一連の数学的証明を通して、それらの運動は「万有引力」という単一の原理で説明できることを示した。この原理は、木星の周りのガリレオ衛星の軌道、地球の周りの月の軌道、太陽の周りの地球の軌道、そして地球上の落下物体にも適用される。つまり、彼は太陽系内のすべての天体の物質的性質が同等であること、太陽と遠方の恒星の性質が同一であること、そしてそれゆえ、運動の物理法則が地球の観測位置をはるかに超えた遠方まで均一に及ぶことを主張したのである。

1990年代以降、宇宙原理を仮定した観測では、宇宙の質量エネルギー密度の約68%がダークエネルギーに起因すると結論付けられ、これがΛCDMモデルの開発につながった。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

観測によると、遠方の銀河ほど互いに接近しており、リチウムより重い元素の含有量が少ないことがわかっています。宇宙論の原理を適用すると、これは重元素がビッグバンで生成されたのではなく、巨大星での元素合成によって生成され、一連の超新星爆発と超新星残骸からの新たな星形成によって放出されたことを示唆しており、つまり、重元素は時間とともに蓄積されていくということです。また、最も遠い銀河（より古い時代）は、近傍の銀河（より最近の時代）よりも断片的で相互作用が活発で、形状も特異な場合が多いことも観察されており、銀河構造の進化を示唆しています。

宇宙原理の関連する含意として、宇宙における最大の離散構造は力学的平衡状態にあるべきであるということが挙げられます。最大スケールでの物質の均質性と等方性から、最大の離散構造は、ケーキの内部を構成するパンくずのように、単一の非離散的な形態の一部であると考えられます。宇宙論的に極めて遠い距離では、視線に平行な面における力学的平衡の性質は経験的に検証できますが、宇宙原理の仮定の下では、視線に平行な面では検出できません（宇宙のタイムラインを参照）。

宇宙論者たちは、遠方の銀河の観測結果に照らして、宇宙が宇宙原理に従うならば非静的でなければならないという点で意見が一致している。1923年、アレクサンダー・フリードマンは、均質等方性宇宙のダイナミクスを記述するアルベルト・アインシュタインの一般相対性理論の方程式の変形を提示した。 ^{[ 7 ] [ 8 ]}独立して、ジョルジュ・ルメートルは1927年に一般相対性理論の方程式から膨張宇宙の方程式を導出した。^{[ 9 ]}このように、宇宙原理を一般相対性理論に適用した結果、遠方の銀河の観測結果とは無関係に、非静的な宇宙も暗黙のうちに示されている。

カール・ポパーは、宇宙論的原理が「我々の知識の欠如を、何かを知るための原理にしてしまう」という理由で批判した。彼は自身の立場を次のように要約した。

「『宇宙論的原理』は、残念ながら、提唱されるべきではなかった教義だった。」^{[ 10 ]}

宇宙はより小さなスケールでは不均一であるが、ΛCDMモデルによれば、2億5000万光年より大きいスケールでは等方的で統計的に均質であるはずである。しかし、最近の発見（例えば「悪の枢軸」）は、宇宙には宇宙原理の違反が存在することを示唆しており、ΛCDMモデルに疑問を投げかけている。一部の著者は、宇宙原理はもはや時代遅れであり、フリードマン・ルメートル・ロバートソン・ウォーカー計量は後期宇宙で破綻すると示唆している。^{[ 11 ]}

宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、ほぼ等方的で均質な宇宙の姿を捉えたスナップショットを提供する。CMBの最大スケールの特徴は双極子異方性であり、その振幅が大きいため、通常はマップから差し引かれる。双極子の標準的な解釈は、太陽系がCMBの静止系に対して運動することによって生じるドップラー効果による運動学的異方性であるというものである。

いくつかの研究では、銀河の大規模分布にCMB双極子方向と一致する双極子が報告されているが、その振幅はCMB双極子速度によって引き起こされるものよりも大きいことが示されている。^{[ 29 ]}同様の双極子は電波銀河のデータにも見られるが、双極子の振幅は観測周波数に依存するため、これらの異常な特徴は純粋に運動学的ではないことがわかる。^{[ 30 ]}他の著者らは、CMBの予想と一致する電波双極子を発見している。^{[ 31 ]} Ia型超新星^{[ 32 ]}やクエーサーのハッブル図に関して、CMB双極子軸に沿った異方性に関するさらなる主張がなされている。^{[ 33 ]}また、CMB双極子方向は、クエーサー偏光^{[ 34 ]} や強い重力レンズ時間遅延^{[ 35 ]}、Ia型超新星[ ^{36 ]}やその他の標準光源^{[ 37 ]}の整列に関するいくつかの研究において、好ましい方向として浮上している。一部の著者は^、遠方効果と双極子方向との相関は、その起源が運動学的ではないことを示している可能性があると主張している。

あるいは、プランク衛星のデータは、相対論的ビーム効果によって引き起こされるゆらぎの微妙な収差と歪みを測定することによって、双極子とは独立してCMBに対する速度を推定するために使用されてきました^{[ 38 ]} 。また、スニャエフ・ゼルドビッチ効果を別々に使用しています^{[ 39 ]}。これらの研究では、双極子から得られた値と一致する速度が見つかり、完全に運動学的であることと一致することを示しています。局所宇宙の銀河の速度場の測定では、短いスケールでは銀河が局所銀河群とともに移動しており、平均速度は距離の増加とともに減少することが示されています^{[ 40 ]} 。これは、CMB双極子が局所的な固有速度場によるものである場合、大きなスケールではより均質になるという予想と一致しています。局所体積の調査は、CMB双極子とは反対方向の低密度領域を明らかにするために使用され、局所的なバルクフローの起源を説明する可能性があります。^{[ 41 ]}

完全宇宙原理は宇宙原理の拡張であり、宇宙は空間と時間において均質かつ等方的であると述べている。この見解では、宇宙は空間のあらゆる場所で（大きなスケールで）同じに見えるだけでなく、常に同じであり、これからも常に同じであるとも言える。完全宇宙原理は定常宇宙論の基礎であり、混沌インフレーション理論から生じる。^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}