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周期モデル（または振動モデル）とは、宇宙が無限または不定の自己維持サイクルに従うとする、いくつかの宇宙論モデルのいずれかである。例えば、1930年にアルバート・アインシュタインが一時的に検討した振動宇宙論では、宇宙はビッグバンで始まりビッグクランチで終わる一連の永遠の振動に従うと理論づけられた。その間、宇宙は一定期間膨張し、その後、物質の重力によって収縮し、ビッグバウンスを起こす。
1922年、アレクサンダー・フリードマンは振動宇宙論を提唱した。[ 1 ]しかし、1934年のリチャード・C・トルマンの研究により、これらの初期の試みは循環問題のために失敗したことが明らかになった。熱力学第二法則によれば、エントロピーは増加する一方である。[ 2 ]これは、連続するサイクルが長くなり、大きくなることを意味する。時間を遡って外挿すると、現在のサイクルより前のサイクルは短くなり、小さくなり、再びビッグバンで頂点に達し、ビッグバンに取って代わることはない。この不可解な状況は、最近発見されたダークエネルギー成分が一貫した循環宇宙論への新たな希望をもたらした21世紀初頭まで、何十年も続いた。[ 3 ] 2011年、20万個の銀河を5年間かけて調査し、70億年の宇宙時間にわたる調査により、「ダークエネルギーが加速する速度で宇宙を分裂させている」ことが確認された。[ 4 ] [ 5 ]
新しい周期的モデルの1つは、以前のエクピロティックモデルから派生した宇宙創造のブレーン宇宙論モデルです。これは、2001年にプリンストン大学のポール・スタインハートとケンブリッジ大学のニール・トゥロックによって提案されました。この理論は、宇宙が一度だけでなく、時間とともに繰り返し爆発的に出現することを説明しています。[ 6 ] [ 7 ]この理論は、宇宙の膨張を加速させている宇宙定数として知られる反発エネルギーが、標準的なビッグバンモデルで予測されるよりも数桁小さい理由を説明できる可能性があります。
ファントムエネルギーの概念に基づいた別の循環モデルが、 2007年にノースカロライナ大学チャペルヒル校のローリス・バウムとポール・フランプトンによって提案された。[ 8 ]
その他の周期モデルには、共形周期宇宙論[ 9 ]やループ量子宇宙論[ 10 ]などがある。
周期モデルは2020年代半ばに再び注目を集めるようになった。ラムダCDMモデルの予測とDESIマッピング観測による動的ダークエネルギーに関する矛盾が宇宙の最終的な運命に疑問を投げかけ、ビッグバウンスの可能性を残したからである。[ 11 ]
この周期モデルでは、2 つの平行なオービフォールド平面またはM ブレーンが、高次元空間で周期的に衝突します。[ 12 ]目に見える 4 次元宇宙は、これらのブレーンの 1 つ上にあります。衝突は、収縮から膨張への反転、つまりビッグ クランチの直後にビッグ バンが起こることに対応します。今日私たちが見る物質と放射線は、ブレーンの前に生成された量子ゆらぎによって決定されたパターンで、最新の衝突中に生成されました。数十億年後、宇宙は今日私たちが見る状態に達しました。さらに数十億年後、最終的には再び収縮し始めます。ダーク エネルギーはブレーン間の力に対応し、モノポール問題、地平線問題、平坦性問題を解決する上で重要な役割を果たします。さらに、このサイクルは過去と未来に無限に続くことができ、その解はアトラクターであるため、宇宙の完全な歴史を提供することができます。
リチャード・C・トルマンが示したように、以前の循環モデルは、宇宙が避けられない熱力学的熱死を経験するため、失敗しました。[ 2 ]しかし、新しい循環モデルは、各サイクルで正味の膨張を行うことで、エントロピーの蓄積を防ぎ、これを回避しています。しかし、このモデルには依然として大きな未解決の問題があります。その中でも最も重要なのは、衝突するブレーンが弦理論家によって理解されておらず、スケール不変スペクトルがビッグクランチによって破壊されるかどうか誰も知らないということです。さらに、宇宙インフレーションと同様に、真空のゆらぎを生み出すために必要な力（エキピロティックシナリオではブレーン間の力）の一般的な性質は知られていますが、素粒子物理学からの候補はありません。[ 13 ]
2007年に発表されたこのより新しい周期モデルは、ファントムエネルギーと呼ばれる異質な形態のダークエネルギーを想定している[ 8 ] [ 14 ]。ファントムエネルギーは負の運動エネルギーを持ち、通常は宇宙をビッグリップで終焉させる。この状態は、宇宙が宇宙論的状態方程式パラメータを持つダークエネルギーに支配されている場合に達成される。条件を満たすエネルギー密度について圧力pと。対照的に、スタインハルト-トゥロクは、バウム・フランプトンモデルでは、いわゆるビッグリップの10の10乗分の1秒（またはそれ以下）前に、逆転現象が発生し、因果パッチのうち1つだけが私たちの宇宙として残ります。この一般的なパッチには、クォーク、レプトン、力伝達物質は存在せず、ダークエネルギーのみが存在し、それによってエントロピーは消滅します。このはるかに小さな宇宙の断熱収縮過程は、エントロピーが常に消滅していく状態で、逆転現象の前に崩壊したブラックホールを含む物質が存在しない状態で起こります。
宇宙が「空っぽになって戻ってくる」という考えは、この循環モデルの中心的な新しい考え方であり、収縮相にある物質が直面する多くの困難、例えば過剰な構造形成、ブラックホールの増殖と膨張、 QCDや電弱対称性の回復などの相転移を回避する。これらのいずれも、熱力学第二法則の違反を避けるためだけに、望ましくない時期尚早な跳ね返りを強く引き起こす傾向がある。エントロピー問題のため、真に無限に循環する宇宙論では論理的に避けられないかもしれない。しかし、アプローチの一貫性を確認するには、多くの技術的な裏付け計算が必要である。このモデルは弦理論のアイデアを借用しているが、必ずしも弦や高次元に縛られているわけではない。しかし、そのような推測的な手段は、内部の一貫性を調査するための最も迅速な方法を提供するかもしれない。Baum–Framptonモデルでは、は任意に−1に近づけることができるが、−1より小さくなければならない。
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