永遠のインフレ

永遠インフレーションは、仮説上のインフレーション宇宙モデルであり、それ自体がビッグバン理論の派生または拡張です。

永遠のインフレーションによれば、宇宙の膨張のインフレーション段階は宇宙の大部分で永遠に続く。領域は指数関数的に急速に膨張するため、どの時点においても宇宙の体積の大部分はインフレーションしている。したがって、永遠のインフレーションは、ごくわずかなフラクタル体積のみがインフレーションを終わらせる、仮想的に無限の多元宇宙を生み出す。

インフレーション模型の初期の研究者の一人であるポール・スタインハートは、1983年に永久インフレーションの最初の例を紹介し^[1]、アレクサンダー・ヴィレンキンはそれが一般的なものであることを示しました^[2]。^{[説明が必要]}

アラン・グースの2007年の論文「永遠のインフレーションとその意味」^[3]では、合理的な仮定の下では「インフレーションは一般的には未来に向かって永遠であるが、過去に向かって永遠ではない」と述べている。グースは当時この主題について何がわかっていたかを詳しく説明し、スタインハートが初めて永遠のインフレーションを提唱してから20年以上経った後でも、永遠のインフレーションが依然としてインフレーションの起こり得る結果であると考えられていることを示した。

インフレーション、あるいはインフレーション宇宙理論は、もともとは、それまで成功した宇宙論理論と考えられていたビッグバンモデルに残されていたいくつかの問題を克服する方法として開発されました。

1979年、アラン・グースは宇宙がなぜ平坦で均質なのか（大規模に物質と放射線が滑らかに分布していることを意味する）を説明するために、宇宙のインフレーションモデルを提唱した。^[4]基本的な考え方は、ビッグバンの直後に宇宙が急速な加速膨張の期間を経たというものである。彼はインフレーションの開始を引き起こすメカニズムとして、偽の真空エネルギーを提案した。グースは「インフレーション」という用語を作り出し、この理論を世界中の他の科学者と初めて議論した人物である。

ガスの当初の定式化には問題があった。インフレーション期を終わらせ、今日観測されているような高温で等方性、均質な宇宙に至る一貫した方法がなかったからだ。偽の真空は光速で膨張する「真の真空」の空の「泡」に崩壊する可能性はあったが、空の泡は残りの膨張宇宙に追いつけないため、合体して宇宙を再加熱することはできなかった。

1982年、この「優雅な出口問題」はアンドレイ・リンデとアンドレアス・アルブレヒト、ポール・J・スタインハート^[5]によって独立に解決され、彼らはインフレーションを空の泡を作らずに終わらせ、代わりに熱い膨張宇宙をもたらす方法を示しました。基本的な考え方は、泡を作らずに偽の真空から真の真空への連続的な「スローロール」またはゆっくりとした進化を起こすというものでした。改良されたモデルは「新しいインフレーション」と呼ばれました。

1983年、ポール・スタインハートは、この「新しいインフレーション」がどこでも終わるわけではないことを初めて示しました。^[1]むしろ、それは有限の領域、または物質と放射線で満たされた熱い泡で終わるだけかもしれません。そして、インフレーションは宇宙のほとんどの部分で続き、その途中で熱い泡を次々と生成します。アレクサンダー・ヴィレンキンは、量子効果が適切に組み込まれると、これは実際にはすべての新しいインフレーションモデルに共通することを示しました。^[2]

アンドレイ・リンデは、スタインハートとヴィレンキンによって導入されたアイデアを利用して、1986年にインフレーションの代替モデルを発表しました。このモデルでは、カオスインフレーション理論または永久インフレーションとして知られる理論の詳細な説明が提供されました。^[6]

新しいインフレーションでは、インフレーション中の量子ゆらぎにより、完全に対称的な宇宙は生成されません。ゆらぎにより、エネルギーと物質の密度が空間の異なる地点で異なります。

仮想のインフレーション場における量子ゆらぎは、膨張率の変化を生じ、これが永遠のインフレーションの原因となる。インフレーションは他の領域で終わるという自然な傾向にもかかわらず、インフレーション率の高い領域はより速く膨張し、宇宙を支配する。これにより、インフレーションは永遠に続き、未来永劫のインフレーションが生じる。単純化した例として、インフレーション中に、インフレーション場の自然な減衰率が量子ゆらぎの影響に比べて遅いと仮定する。ミニ宇宙が膨張し、たとえば因果的に分断された 20 個のミニ宇宙に「自己再生」すると、元のミニ宇宙と同じ大きさになる。新しいミニ宇宙のうち 9 つは、量子ゆらぎがインフレーション値を押し上げたのに対し、遅いインフレーション減衰率がインフレーション値を押し下げたのよりも大きいため、元のミニ宇宙よりも平均インフレーション場値が小さくなるのではなく大きくなる可能性がある。もともと、与えられたインフレーション値を持つミニ宇宙は 1 つあった。今では、わずかに大きいインフレーション値を持つ 9 つのミニ宇宙があります。 (もちろん、インフレーション値が元よりわずかに低い 11 のミニ宇宙もあります。) より大きなインフレーション フィールド値を持つ各ミニ宇宙は、その内部で同様の近似的な自己複製を再開します。 (インフレーション値の低いミニ宇宙も、そのインフレーション値が十分に小さく、その領域がインフレーションから脱落して自己複製を停止しない限り、複製する可能性があります。) このプロセスは無限に続きます。9 つの高インフレーション ミニ宇宙は、81 になり、次に 729 になるかもしれません... したがって、インフレーションは永遠に存在します。^[7]

1980年に、ヴィアチェスラフ・ムハノフとゲンナジー・チビソフ^{[8] [9]は、}アレクセイ・スタロビンスキー^[10]による修正重力モデルの文脈で、量子ゆらぎが銀河形成の種子となる可能性があることを示唆した。

インフレーションの文脈では、量子ゆらぎは1982年にケンブリッジ大学で3週間にわたって開催された初期宇宙に関するナフィールドワークショップで初めて分析されました。^[11]ゆらぎの平均強度は、ワークショップの期間中に別々に作業していた4つのグループによって初めて計算されました。スティーブン・ホーキング、^[12]スタロビンスキー、^[13]ガスとソーヤング・パイ、^[14]ジェームズ・M・バーディーン、ポール・スタインハート、マイケル・ターナーです。^[15]

ナフィールドワークショップで得られた初期の計算は、平均変動のみに焦点を当てており、その大きさはインフレーションに影響を与えるには小さすぎます。しかし、スタインハート^[1]とヴィレンキン^[2]が提示した例に始まり、同じ量子物理学が時折大きな変動を生み出し、それがインフレーション率を高め、インフレーションを永遠に継続させることが後に示されました。

2013年のプランク衛星データの分析で、アンナ・イジャスとポール・スタインハートは、最も単純な教科書的なインフレーションモデルは排除され、残りのモデルでは指数関数的に調整された開始条件、調整すべきパラメータが多く、インフレーションが少ないことが必要であることを示しました。2015年に報告されたプランクの観測により、これらの結論が確認されました。^{[16] [17]}

2014年のコーリとハスラムの論文は、量子ゆらぎをガウス白色ノイズとしてモデル化するリンデのカオス的インフレーション理論を分析し、永遠インフレーション理論の実現可能性に疑問を投げかけた。^[18]彼らは、この一般的なシナリオでは、永遠インフレーションは実際には永遠ではあり得ず、ランダムノイズによって時空が特異点で満たされることを示した。これは、アインシュタイン場の方程式の解が有限時間で発散することを示すことによって実証された。したがって、彼らの論文は、ランダムな量子ゆらぎに基づく永遠インフレーション理論は実現可能な理論ではなく、結果として生じる多元宇宙の存在は「まだ非常に未解決の問題であり、より深い調査が必要である」と結論付けた。

1983 年、インフレーションは永遠であり、空間がバブルまたはパッチに分割され、その特性があらゆる物理的可能性にわたってパッチごとに異なる 多元宇宙につながる可能性があることが示されました。

永遠のインフレーションの最初の例を作ったポール・スタインハート^{[1]は、やがてこの理論に強く反対するようになった。彼は、多元宇宙はインフレーション理論の崩壊を表していると主張した。なぜなら、多元宇宙ではどんな結果も同じように起こり得るため、インフレーションは予測できず、したがって検証不可能であるからだ。その結果、インフレーションは}科学理論の重要な条件を満たしていないと彼は主張した。^{[19] [20]}

しかし、リンデとガスの両者はインフレーション理論と多元宇宙論を支持し続けた。ガスは次のように宣言した。

インフレーションのモデルを構築して、多元宇宙を生み出さないことは難しい。不可能ではないので、まだ研究が必要なのは確かだと思う。しかし、インフレーションのモデルのほとんどは多元宇宙を生み出せるため、インフレーションの証拠は、多元宇宙という概念を真剣に受け止める方向に私たちを導くことになるだろう。^[21]

リンデによれば、「多元宇宙を許さないインフレーションモデルを発明することは可能だが、難しい。インフレーション理論の信頼性を高める実験はどれも、多元宇宙が現実であるというヒントに大きく近づくことになる。」^[21]

2018年、故スティーブン・ホーキング博士とトーマス・ヘルトグ博士は、無限の多元宇宙の必要性が消えたとする論文を発表した。ホーキング博士は、彼らの理論は「適度に滑らかで全体的に有限」な宇宙を与えると述べている。^{[22] [23]}この理論は、ホログラフィック原理を使用して、永遠のインフレーションの無時間状態からの「出口平面」を定義している。平面上に生成される宇宙は、境界のない波動関数の再定義を使用して記述される。実際、この理論は時間の始まりに境界を必要としている。^[24]簡単に言えば、ホーキング博士は、彼らの発見は「多元宇宙の大幅な縮小を意味する」と述べており、ケンブリッジ大学が指摘するように、この理論は重力波天文学を使用して「予測可能で検証可能」になる。^[25]

• 天体物理学
• 宇宙論
• インフレーション（宇宙論）
• フラクタル宇宙論
• 物理宇宙論
• 宇宙の形
• 偽の真空
• 測度問題（宇宙論）

• マイクロ波背景が示唆する「マルチバース」理論、BBC ニュース、2011 年 8 月 3 日、永遠のインフレーションのテストについて。