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 我々が暮らしているこの宇宙には、瓜二つの双子の兄弟が存在し、互いに影響し合っているかもしれないと考える科学者がいる。

 宇宙の難問の1つに、理論的に予測される「宇宙定数」と銀河の観測から導き出される数値が一致しないというものがある。しかし双子の宇宙なら、相互作用を通じて宇宙定数の影響を相殺し、現実と矛盾のない数値を導き出せるという。

 重なり合った「グラフェン」という極小世界の研究から誕生した壮大な「バイワールド仮説」は、物理学者を悩ませる「宇宙定数問題」の突破口になるもしれない。

 この研究は『Physical Review Research』(2022年5月2日付)に掲載された。

【画像】 グラフェンから導く宇宙論

 一対の双子の宇宙が存在するというこの壮大な仮説は、意外にもミクロの世界の研究がヒントになった。

 メリーランド大学のビクター・ガリツキー氏とアリレザ・パリスカー氏が研究していたのは、2枚の「グラフェン」だ。

 「グラフェン」は炭素が六角形の格子模様に結合したシート状の物質なのだが、ある状況では電子の挙動が変化することわかったのだ。

 ある状況とは、2枚のグラフェンシートを重ね、それらをズラした時に生じる縞模様「モアレ(干渉縞)」を作り出したときだ。

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モアレ模様 photo by iStock

 モアレ模様の長さは、元々の模様よりもずっと長い。そのおかげで積層グラフェンは、電子の振る舞いすら変えてしまう。

 例えば、「マジックアングルグラフェン」という特殊な重ね方をすると、モアレの線の長さは1枚の模様より52倍も長くなる。

 この時、電子の挙動を司るエネルギーが急激に低下し、超伝導などそれまでは無理だったことが可能になる。

 ガリツキー氏とパリスカー氏の頭脳に閃いたのは、この2枚の積層グラフェンを、対になった2つの二次元宇宙として解釈できるということだ。

 これを一般化すれば、私たちが暮らす四次元宇宙(三次元空間 + 時間)など、あらゆる次元の宇宙に応用することもできる。かくして彼らは宇宙論の大問題に取り組むことになった。

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image credit:Alireza Parhizkar, JQI

立ちはだかる宇宙定数問題

 私たちが長さを客観的に把握したいなら、何か基準が必要になる。例えばメートルは、光が1秒の299792458分の1の間に真空中を進む距離だ。

もちろん、こうした単位は測りたい長さに応じて、適切でなければならない。普段の生活ならメートルは便利だが、これで宇宙の大きさを知ろうとしても細か過ぎて役に立たない。

 今回、ガリツキー氏とパリスカー氏が取り上げたのは、量子力学と整合性のある長さの最小単位「プランク長」だ。

 これは一般相対性理論におけるアインシュタイン方程式の「宇宙定数」と直接関係している。

 宇宙定数は、宇宙の状態を知る上でとても大切なものだ。というのも、これいかんで、宇宙が膨張するのか収縮するのか運命が決まるからだ(なお、アインシュタインは宇宙定数を生涯最大の失敗と述べたというが、最近では再評価されている)。

 単純に考えるなら、銀河の移動速度などを計測すれば、宇宙定数を算出できるはずだ。だが現実はそう単純ではない。

 宇宙には量子的な揺らぎの影響もあるからだ。そして困ったことに、マクロの世界を記述する一般相対性理論ミクロの世界を記述する量子力学を統合しようとすると、問題にぶち当たる。

 問題の1つは、宇宙の観測結果から宇宙定数を導き出そうとすると、理論的に予測されるものよりずっと小さな数値にしかならないことだ。

 また、より重大なこととして、データの詳細さによって、宇宙定数の値が大きくバラけてしまう問題がある。これは「宇宙定数問題」や「真空の破局」と知られている。

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photo by iStock

双子の宇宙「バイワールド仮説」なら宇宙定数問題を解決

 ガリツキー氏とパリスカー氏は、この問題の解決にモアレが役に立つと考えた。そしてそのために「モアレ重力モデル」という数理モデルを考案した。

 これは一般相対性理論に基づく宇宙モデルを2つ用意し、それらが相互作用する要素を追加したものだ。要は、グラフェンシートエネルギーと長さの代わりに、宇宙の定数と長さを分析してみることにしたのだ。

 そして判明したのが、たとえ宇宙定数が大きなものだったとしても、宇宙が双子だった場合、それらの相互作用によって実際に観察される現象は小さな宇宙定数に支配されているように見えるということだ。

 また2つの宇宙の影響は時間が経過すると打ち消し合うので、宇宙定数がばらつくという問題も回避される。

 ガリツキー氏とパリスカー氏は、この対になった宇宙が存在する世界を「バイワールド」と呼んでいる。

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photo by iStock

 両者は、この仮説が絶対に正しいなどとは考えていない。だが、2つの宇宙を組み合わせることで、大きな宇宙定数を持つ宇宙であっても、それが小さく見える理由を説明できる点が優れていると述べる。

 現在両氏はより詳しいバイワールドモデル構築を進めているとのことだ。

 なお今回のように、物理学者が宇宙の仕組みに疑問を持つのはごく普通のことだ。現時点で最高とされる理論であっても時に疑問視されるし、この世についてもっとよく理解しようと思えば、それは望ましいことでもある。

 2つの宇宙が存在するなど、常識では想像もつかない世界だが、真実は我々人類の理解など遥かに超えているということなのかもしれない。

References:Physicists Say There May Be Another Reality Right Beyond This One / written by hiroching / edited by / parumo

 
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現実は2つあるかもしれない。宇宙は双子でお互いに影響し合っているとする「バイワールド仮説」