宇宙論的定数：宇宙の微調整

なぜ物理学には定数があるのか？

ビッグバンから受け継がれた値

その存在は、ビッグバン時の宇宙の初期条件、あるいは私たちがまだ理解していない根本的実在の深い性質に由来する可能性がある。 実際、宇宙の初期条件が定数の値を定め、その後の宇宙の進化と構造に影響を与えた可能性がある。 一部の理論家は多元宇宙のアイデアを提唱しており、私たちの宇宙は多数の可能な実在のうちの一つにすぎないとしている。 この文脈では、定数は宇宙ごとに異なる可能性があり、私たちの宇宙は生命と意識ある観測者の出現を可能にする値を持っていることになる。

物理理論のための一貫した枠組み

私たちの物質世界に関しては、物理学の定数は、無限に小さいものから無限に大きいものまで、宇宙全体の基本的性質を決定する「固定された」値である。 これらの定数は、物理現象の振る舞いや、さまざまなスケールでの物質とエネルギーの性質を記述し予測するために必要である。 これらの定数は、物理法則の一貫性を維持し、異なるスケールで観測される現象の多様性を説明することを可能にする。 また、私たちの科学理論（ニュートン重力、特殊相対性理論、量子力学、量子電磁力学、一般相対性理論…）の限界を研究し試すための道具でもある。 現代物理学が発展するためには、普遍的な法則が必要である。 これらの法則は、宇宙という枠組みの中で、実験をここでもあそこでも、今日でも明日でも繰り返すことを可能にする。 定数はしたがって、物理理論において中心的な役割を果たしている。 逆説的ではあるが、定数は非常に長い期間にわたって変化する可能性がある。しかし、それはさまざまな物理理論と天体物理理論の有効領域を構造化することを妨げない。

物理学の基本的な定数とは何か？

基本量の目録

物理定数とは、現在の理論の枠組みの中で数値が固定されていると見なされる量である。それらは自然法則を記述する方程式に現れ、無限に小さいものから無限に大きいものまで、原子の構造と宇宙の膨張の両方を条件づけている。

多様な応用分野

最もよく知られているのは重力と電磁気学に関するものだが、そのリストは量子力学、熱力学、素粒子物理学、宇宙論にまで及ぶ。各定数は独自の単位と正確な物理的意味を持っている。重力定数 G は質量間の引力の強さを測り、光速 c は情報とエネルギーの伝播の限界を定め、プランク定数 h は微視的スケールでのエネルギー交換を量子化し、微細構造定数 α は電磁気力を特徴づける、などである。

測定され調整される値

これらの量は抽象的な数学的原理から導かれるものではない。それらは精度を高めながら実験的に測定され、その値はCODATAなどの国際機関によって定期的に調整される。

数十億年にわたって検証された不変性

遠方の吸収スペクトルの観測により数十億年にわたって検証されたそれらの見かけの不変性は、現代物理学の柱の一つであり、まったく異なる状況で行われた実験を比較することを可能にする。

基本的な物理定数の一覧表

以下の表は、主要な物理定数と宇宙論的定数、その記号、おおよその値、役割、歴史的起源をまとめたものである。

宇宙論的パラメータとは何か？

ΛCDM模型の宇宙論的パラメータ

自然の局所的な法則を定める基本的な物理定数とは異なり、宇宙論的パラメータは宇宙の全体的な状態、すなわちその年齢、膨張率、組成、幾何学を記述する。これらの量は厳密な意味での定数とは限らない。ダークエネルギー密度や膨張率など、宇宙時間とともに変化するものもある。それらはΛCDM模型（Lambda-CDM）の中心にあり、今日の宇宙論の標準模型を構成している。最も正確な値は、プランク衛星（2018年）による宇宙マイクロ波背景放射の測定から得られ、超新星サーベイやバリオン音響振動（BAO）によって補完されている。

ΛCDM模型の宇宙論的パラメータの表

以下の表は、本質的な宇宙論的パラメータ、その記号、プランク2018データからの値、および宇宙の記述における役割をまとめたものである。

定数は何を検証することを可能にしたのか？

偉大な理論のための決定的なテスト

基本的な定数は、科学理論と物理モデルの検証において決定的な役割を果たしてきた。それらは、さまざまな元素の吸収スペクトルが約100億年間変わっていないことを確認することを可能にした。

ハッブルテンション

一致しない二つの測定系統

現代宇宙論の主要な困難の一つは、使用する方法によってハッブル定数の測定値が異なることにある。初期宇宙とΛCDM模型に基づく測定では、プランク単独で H₀ ≈ 67.4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹、プランク、ACT、SPT-3Gを組み合わせると H₀ ≈ 67.2 ± 0.4 という非常に近い値が得られる。セファイドとIa型超新星に基づく局所測定では、H₀ ≈ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ が得られる。この不一致は、当初約5σであり、ハッブルテンションと呼ばれている。

宇宙論的定数は本当に一定なのか？

Λ、一定の真空エネルギー

ΛCDM模型では、ダークエネルギーは真の定数 Λ である。その密度は時間とともに変化せず、状態方程式は \( w = p/(\rho c^2) = -1 \) である。これは最も単純な仮説であり、これまでのところほとんどの観測と一致している。

DESIが測定したこと

分光装置DESIは2025年に、第2次データリリース（DR2、3年間の観測）の結果を公表した。1400万以上の銀河とクエーサーにわたるバリオン音響振動の測定である。それらは平坦なΛCDM模型によってよく記述されるが、それらが好むパラメータは宇宙マイクロ波背景放射のものと中程度のテンション（2.3σ）にある。

DESIを宇宙マイクロ波背景放射と超新星カタログと組み合わせると、パラメータ \( (w_0, w_a) \) で記述される進化するダークエネルギーが、超新星サンプルに応じて2.8～4.2σの有意性でΛCDM模型よりも好まれる。DES-SN5YRカタログ（「DES-Dovekie」）の再解析により、最大値は4.2σから3.2σに引き下げられた。

確認されるべき手がかりであり、発見ではない

これらの値は、発見に一般的に要求される5σの閾値を下回っている。DESIの著者らは、いずれかのデータセットに未知の系統誤差がない限り、ΛCDM模型が試されており、動的なダークエネルギーが解決策になり得ると強調している。もし確認されれば、Λはもはや定数ではなく、宇宙時間とともに進化する場となるであろう。

ニュートリノ質量との関連

実験室では、KATRIN実験がトリチウム崩壊を通じて電子ニュートリノの質量を直接測定している。その259日分のデータ（Science, 2025）は、90%信頼水準で \( m_\nu < 0{,}45 \) eV、すなわち電子質量の100万分の1未満を与える。宇宙論ははるかに制約が厳しい。DESIと宇宙マイクロ波背景放射は、3つのニュートリノの質量の合計を \( \sum m_\nu < 0{,}064 \) eV（ΛCDM、95% CL）に制限している。この限界は、ニュートリノ振動によって課される約0.06 eVの最小値に迫っており、ダークエネルギーが進化する場合は0.16 eVに緩和される。したがって、この二つの問題は関連している。

覚えておくべきこと

現代物理学の基盤

物理定数は、科学理論の検証の基盤となってきた。それらは、無限に小さいものから無限に大きいものまで、宇宙で観測される幅広い現象を説明し予測するための一貫した枠組みを構築することを可能にした。2019年以降、それらのいくつかは測定単位そのものを定義している。

まだ未解決の三つの問題

今日、なぜ定数がこれらの値を持つのかを説明する理論はない。ハッブルテンションは解決されておらず、ダークエネルギーの性質も未解決のままである。時空の定数なのか、それとも進化する場なのか。DESI、宇宙望遠鏡ユークリッド、JWST、そして将来のサーベイのデータが答えをもたらすであろう。