微調整された宇宙

微調整された宇宙とは、電子電荷や重力定数などの自然界の定数が少しでも違っていたら「私たちが知っているような生命」は存在できなかったため、宇宙は生命のために特別に調整されているという仮説である。 ^{[1] [2] [3] [4]実際には、この仮説は}無次元の物理定数で定式化されている。^[5]

1913年、化学者 ローレンス・ジョセフ・ヘンダーソンは、宇宙の微調整を探求した最初の本の1つである「環境の適応度」を執筆しました。ヘンダーソンは、水と環境が生物にとって重要であることを論じ、地球上に存在する生命は、地球の非常に特殊な環境条件、特に水の普及と特性に完全に依存していると指摘しています。^[6]

1961年、物理学者ロバート・H・ディッケは、重力や電磁気など物理学上の特定の力は、宇宙に生命が存在するためには完璧に微調整されていなければならないと主張した。^{[7] [8]} フレッド・ホイルも1983年の著書『知的宇宙』で微調整された宇宙を主張し、^[9]「炭素ベースの生命、つまり人間の生命が存在し得なかった非生物学的性質の明らかな偶然である人類学的特性のリストは膨大で印象的である」と書いている。^[10]

宇宙が精密に調整されているという信念から、大型ハドロン衝突型加速器は超対称性など標準モデルを超える物理学の証拠を生み出すだろうという期待が生まれたが^[11]、 2012年までに、同加速器が調査可能なエネルギースケールでの超対称性の証拠は生み出されなかった^{[12] 。}

物理学者ポール・デイヴィスは次のように述べている。「現在、物理学者と宇宙学者の間では、宇宙はいくつかの点で生命のために『微調整』されているという点で幅広い合意が得られている。しかし、結論は、宇宙は生命のために微調整されているというよりも、生命が必要とする構成要素と環境のために微調整されているということだ」。^[13]また、彼は次のようにも述べている。 「『人類中心』の推論は、生命が許容されるが限界的にしかありえない最小限の生物親和性宇宙と、生物発生が頻繁に起こるため生命が繁栄する最適の生物親和性宇宙を区別できない」。^[14]証拠に説得力があると考える科学者の間では、複数の宇宙の存在が人類原理の下で生存バイアスをもたらすなど、さまざまな自然な説明が提案されている。^[5]

微調整された宇宙の主張の前提は、いくつかの物理定数の小さな変化が宇宙を根本的に変えるというものである。スティーブン・ホーキングは次のように述べている。「現在知られている科学の法則には、電子の電荷の大きさや陽子と電子の質量の比など、多くの基本的な数値が含まれている。…注目すべき事実は、これらの数値が生命の発達を可能にするために非常に細かく調整されてきたように見えるということだ」^[4]

例えば、もし強い核力が現在より 2% 強くなり (つまり、その強さを表す結合定数が2% 大きくなる)、他の定数は変わらないとしたら、二陽子は安定するだろう。デイヴィスによれば、二陽子には重水素とヘリウムの代わりに水素が融合するだろう。^{[15]これは}恒星の物理を劇的に変えるだろうし、おそらく地球で観測されるような生命の存在は不可能になるだろう。二陽子の存在は、水素から重水素へのゆっくりとした融合を短絡させるだろう。水素は非常に簡単に融合するので、宇宙の水素はすべてビッグバン後の最初の数分で消費される可能性が高い。 [ ^15]この「二陽子論」は他の物理学者によって異論を唱えられており、彼らは強度の増加が 50% 未満である限り、安定した二陽子が存在するにもかかわらず恒星の融合は起こり得ると計算している。^[16]

この考え方を正確に定式化することは、独立した物理定数がいくつあるかがまだわかっていないという事実によって困難になっている。素粒子物理学の標準モデルには自由に調整可能なパラメータが 25 個あり、一般相対性理論にはもう 1 つ、非ゼロだが極めて小さい値であることがわかっている宇宙定数がある。物理学者は経験的に成功した量子重力理論を開発していないため、標準モデルが依存する量子力学と一般相対性理論を組み合わせる方法はわかっていない。^[17]

標準モデルの根底にあると思われるこのより完全な理論を知らなければ、真に独立した物理定数の数を決定的に数えることは不可能である。候補となる理論の中には、独立した物理定数の数が 1 と少ないものもある。たとえば、宇宙定数は基本定数かもしれないが、他の定数から計算する試みもなされており、そのような計算の 1 つを書いた著者によると、「宇宙定数の値が小さいということは、素粒子物理学の標準モデルのすべてのパラメータ、つまり裸の宇宙定数と未知の物理学の間に、驚くほど正確でまったく予想外の関係が存在することを物語っている」とのことである。^[17]

マーティン・リースは、宇宙の微調整を以下の6つの無次元物理定数で定式化しました。^{[1] [18]}

• Nは、陽子対間の電磁力と重力の比であり、約10 ³⁶である。リースによれば、これより大幅に小さければ、小さく短命な宇宙しか存在できないだろう。^[18]これが十分に大きければ、陽子同士の反発が激しくなり、より大きな原子は生成されなくなる。
• 水素からヘリウムへの核融合の効率の尺度であるイプシロン（ε ）は0.007である。4つの核子がヘリウムに融合すると、その質量の0.007（0.7％）がエネルギーに変換される。εの値は、部分的には強い核力の強さによって決定される。^[19] εが0.006であれば、陽子は中性子と結合できず、水素のみが存在し、複雑な化学反応は不可能になる。リースによれば、εが0.008を超えると、ビッグバンの直後にすべての水素が融合してしまうため、水素は存在しないだろう。他の物理学者はこれに反対し、強い力の結合定数が約50％未満増加する限り、かなりの量の水素が残ると計算している。^{[16] [18]}
• オメガ（Ω）は、一般に密度パラメータとして知られ、宇宙における重力と膨張エネルギーの相対的な重要性です。これは、宇宙の質量密度と「臨界密度」の比であり、約1です。重力が暗黒エネルギーと初期の宇宙膨張率に比べて強すぎる場合、生命が進化する前に宇宙は崩壊していたでしょう。重力が弱すぎる場合、星は形成されなかったでしょう。^{[18] [20]}
• ラムダ（Λ）は、宇宙定数としてよく知られ、暗黒エネルギー密度が一定であるという一定の合理的な仮定のもとで、暗黒エネルギー密度と宇宙の臨界エネルギー密度の比を表します。プランク単位系では、また自然な無次元値として、Λは次のオーダーになります。10 ⁻¹²²です。^[21]これは非常に小さいため、10億光年未満の宇宙構造に大きな影響を与えません。宇宙定数の値がわずかに大きいと、宇宙が急速に膨張し、星やその他の天体構造を形成できなくなります。^{[18] [22]}
• Q は、大きな銀河を引き離すのに必要な重力エネルギーとその質量に相当するエネルギーの比で、約10 ⁻⁵です。これが小さすぎると、星は形成されません。これが大きすぎると、宇宙があまりにも激しくなり、星は生き残ることができません、とリースは言います。^[18]
• Dは時空における空間次元の数であり、3である。リースは、空間次元が2または4であれば生命は存在できないと主張している。^{[18]リースは、これが}10次元の弦の存在を排除するものではないと主張している。^[1]

マックス・テグマークは、時間次元が複数ある場合、関連する偏微分方程式の知識から物理システムの挙動を確実に予測することはできないと主張した。そのような宇宙では、技術を操作できる知的生命体は出現しないだろう。さらに、陽子と電子は不安定であり、自分自身よりも大きな質量を持つ粒子に崩壊する可能性がある。粒子の温度が十分に低い場合は、これは問題ではない。^[23]

古い例としては、炭素12原子核の3番目に低いエネルギー状態であるホイル状態があり、そのエネルギーは基底レベルより7.656 MeV高い。^[24]ある計算によると、この状態のエネルギーレベルが7.3 MeVより低いか7.9 MeVより大きい場合、生命を維持するのに十分な炭素が存在しないでしょう。宇宙の炭素の豊富さを説明するには、ホイル状態をさらに7.596 MeVから7.716 MeVの間の値に調整する必要があります。さまざまなエネルギーレベルを生み出す基礎となる基本定数に焦点を当てた同様の計算では、炭素生成または酸素生成のいずれかが大幅に低下するのを防ぐために、強い力は少なくとも0.5％の精度に、電磁力は少なくとも4％の精度に調整する必要があるという結論が出ています。^[25]

微調整の説明には自然主義的なものもあります。^[26]まず、微調整は幻想である可能性があります。より基礎的な物理学では、現在の理解における物理パラメータの見かけ上の微調整を、それらのパラメータが取りそうな値を制限することで説明できるかもしれません。ローレンス・クラウスは、「特定の量は説明不能で微調整されているように見えましたが、いったん理解すると、それほど微調整されているようには見えません。歴史的な視点を持つ必要があります」と述べています。^{[22]最終的な}万物の基本理論が、すべてのパラメータの見かけ上の微調整の根本的な原因を説明する可能性があると主張する人もいます。 ^{[27] [22]}

それでも、現代の宇宙論が発展するにつれて、隠れた秩序を前提としないさまざまな仮説が提案されてきた。その1つは多元宇宙であり、そこでは基本的な物理定数は既知の宇宙の外側で異なる値を持つと仮定される。^{[28] [29]}この仮説では、現実の個々の部分は大きく異なる特性を持つことになる。そのようなシナリオでは、微調整の出現は弱い人間原理と選択バイアス、具体的には生存バイアスの結果として説明される。地球のように生命に適した基本定数を持つ宇宙だけが、宇宙を観察でき、微調整の問題を熟考できる生命体を含むことができる。^[30]王志偉とサミュエル・L・ブラウンシュタインは、基本定数の見かけ上の微調整は、これらの定数の理解不足による可能性があると主張している。^[31]

もし宇宙が、それぞれ異なる物理現象と定数を持つ、おそらく無限に存在する多数の宇宙のうちの1つに過ぎないのであれば、知的生命が住める宇宙が存在することは驚くべきことではない。そのため、多元宇宙仮説のいくつかのバージョンは、微調整に対する簡単な説明を提供しているが^[5]、ワンとブラウンシュタインの分析は、この宇宙が生命を支える能力において独特であるという見解に異議を唱えている。^[31]

多元宇宙の考え方は、人類原理に関するかなりの研究につながっており、万物の理論は物理定数が大きく異なる多数の宇宙を生み出すと思われるため、素粒子物理学者にとって特に興味深いものとなっている。多元宇宙の存在を示す証拠はないが、理論のいくつかのバージョンでは予測がなされており、M理論や重力リークを研究する研究者の中には、近いうちに何らかの証拠が見られることを期待している人もいる。^[32]ローラ・メルシニ・ホートンによると、WMAPコールドスポットは、並行宇宙の検証可能な経験的証拠を提供できる可能性があるという。^[33]このアプローチのバリエーションには、リー・スモーリンの宇宙論的自然選択の概念、エクピロティック宇宙、バブル宇宙理論などがある。^{[32] : 220–221}

微調整を説明するために多元宇宙を持ち出すことは、逆ギャンブラーの誤謬の一種であると示唆されている。^{[34] [35]}

スティーブン・ホーキングとトーマス・ヘルトグは、宇宙の初期条件は多くの可能な初期条件の重ね合わせから成り、そのうちのほんの一部だけが今日の状態に寄与しているという説を唱えた。^[36]彼らの理論によれば、宇宙の「微調整された」物理定数は必然的である。なぜなら、宇宙は現在の状態をもたらした歴史だけを「選択」するからである。このように、トップダウン宇宙論は、多元宇宙を持ち出すことなく、なぜこの宇宙が物質と生命を許すのかという人類学的説明を提供している。^[37]

生命の形成に関する微調整の議論の中には、炭素ベースの生命体のみが可能であると仮定するものがある。この仮定は、炭素排外主義と呼ばれることもある。 ^[38]概念的には、代替の生化学や他の形態の生命は可能である。^[39]

シミュレーション仮説は、より技術的に進歩したシミュレーションオペレータがそのようにプログラムしたために宇宙が微調整されていると主張している。^[40]

グラハム・プリースト、マーク・コリバン、ジェイ・L・ガーフィールドらは、「物理法則や宇宙の境界条件は、現状とは異なるものであった可能性がある」という前提に反論している。^[41]

一部の科学者、神学者、哲学者、および特定の宗教団体は、摂理または創造が微調整の原因であると主張している。^{[42] [43] [44] [45] [46]}キリスト教哲学者のアルヴィン・プランティンガは、ランダムな偶然を単一の宇宙に適用すると、なぜこの宇宙が少なくともどこかの場所（地球）と時間（現在から数百万年以内）で生命を支える正確な条件を備えるほど「幸運」なのかという疑問が生じるだけだと主張している。

これらの一見すると大きな偶然に対する反応の 1 つは、宇宙は人格を持った神によって創造されたという有神論の主張を裏付けるものであり、適切に抑制された有神論の議論 (つまり微調整の議論) の材料を提供するものであると見ることです。あたかも、私たちの宇宙で生命が存在するためには、非常に狭い範囲内で調整しなければならないダイヤルが多数あるかのようです。これが偶然に起こる可能性は極めて低いですが、神のような人格を持つ存在がいる場合、これが起こる可能性ははるかに高くなります。

— アルヴィン・プランティンガ「ドーキンスの混乱：不条理な自然主義」^[47]

哲学者でキリスト教弁証家のウィリアム・レーン・クレイグは、この宇宙の微調整を、神の存在、あるいは宇宙を支配する基本的な物理学を操作（または設計）できる何らかの知性の存在の証拠として挙げている。 ^[48]哲学者で神学者のリチャード・スウィンバーンは、ベイズ確率を用いて設計の結論に達した。^[49]科学者で神学者のアリスター・マクグラスは、炭素の微調整が、自然がある程度まで自らを調整する能力にさえ責任があると観察した。

生物の進化のプロセス全体は、炭素の特異な化学反応に依存している。炭素は炭素自身や他の元素と結合し、地球上の気温に対して安定し、遺伝情報（特にDNA）を伝達できる非常に複雑な分子を作り出す。[...] 自然は自ら微調整を行うと主張する人もいるかもしれないが、これは宇宙の原始的構成要素が進化のプロセスを開始できるようなものである場合にのみ可能となる。炭素のユニークな化学反応は、自然が自らを調整する能力の究極の基礎である。^{[50] [51]}

理論物理学者で英国国教会の司祭であるジョン・ポーキンホーンは、「人類の微調整は、単なる幸運な偶然として片づけるにはあまりにも驚くべきものだ」と述べた。^[52]神学者で哲学者のアンドリュー・ロークは、微調整と秩序に関する仮説は、(i)偶然、(ii)規則性、(iii)規則性と偶然性の組み合わせ、(iv)原因のない、(v)設計の5つのカテゴリーしかなく、設計だけが宇宙の秩序を排他的に論理的に説明できると主張している。^{[53]彼は、}カラム宇宙論的論証は「誰が設計者を設計したのか？」という疑問に答えることで目的論的論証を強化すると主張している。 ^[53]創造論者のヒュー・ロスは、微調整に関するいくつかの仮説を提唱している。^{[54] [55]} 1つは、ロスが「生命毒」と呼ぶものの存在であり、これは大量に摂取すると有害だが少量であれば動物の生命に不可欠な元素栄養素である。^[56]

ロビン・コリンズは、宇宙は科学的に発見できるように微調整されており、この微調整は多元宇宙仮説では説明できないと主張している。^[57]コリンズによると、宇宙が私たちの宇宙と同じくらい発見可能であるためには、宇宙の法則、基本パラメータ、初期条件が適切でなければならない。コリンズによると、発見可能性のための微調整の例には以下が含まれる。

• 微細構造定数はエネルギーの使用に合わせて微調整されています。これがより強ければ、エネルギーを利用する実用的な方法はなくなります。これがより弱ければ、火は木を急速に燃やしてしまい、エネルギーの使用は非現実的になります。
• 重粒子と光子の比率により、宇宙マイクロ波背景放射を介したビッグバンの発見が可能になりました。
• ヒッグス粒子の質量など、素粒子物理学における多くの事柄は、発見に必要な狭い範囲内にあります。

WikiquoteにFine-tuned universeに関する引用文があります。

微調整の擁護

• アニル・アナンサスワミ：宇宙は生命のために微調整されているのか？
• フランシス・コリンズ、「なぜ私は科学者であり、信仰者なのか」ナショナルジオグラフィックの記事。
• カスタムユニバース、科学の専門家による微調整のドキュメンタリー。
• モーソン、 TJ (2011)。 「宇宙の微調整を私たちに対して、そして私たちの宇宙に対する微調整を説明する」。哲学。68 :25–50。doi :10.1017/s1358246111000075。S2CID 123203362  。
• ヒュー・ロス：宇宙の微調整の証拠
• 科学と宗教について語るチャールズ・タウンズ氏へのインタビュー。

微調整に対する批判

• 微調整論に対する批判へのオンラインリンクの書誌。世俗的なウェブ。
• ビクター・ステンガー:
  • 「宇宙の微調整に反対するケース」
  • 「宇宙は目的の証拠を示しているか？」
  • 「宇宙は私たちのために微調整されているのでしょうか？」
• エリオット・ソーバー、「デザイン論」。以前のバージョンは、Blackwell Companion to the Philosophy of Religion (2004) に掲載されました。