地平線問題: 宇宙の均一性を理解する

驚くほど均質な宇宙

宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) によって明らかにされるように、観測可能な宇宙は、大規模なスケールで驚くべき熱均一性を示します。この化石放射の平均温度は \(\sim 2{,}725\ \text{K}\) で、変動は \(10^{-5}\) 程度です。しかし、空の一部の領域は非常に離れており、光がそれらの間を移動する時間がなかったため、ビッグバン以降、因果関係を持った相互作用が一度もできなかった。では、このような均一な温度はどのように説明できるのでしょうか?

因果関係の限界と宇宙論的地平線

インフレーションのないビッグバンの古典的なモデルでは、天球上で角度 \(\sim 1\)° 以上離れた領域は宇宙の始まり以来、光や情報を交換することができませんでした。 L'因果の地平線この接触限界を定義します。これは、ビッグバン以降に光が移動した最大距離です。しかし、CMB はこの地平線をはるかに超えた等方性を示しているようです。この矛盾をこう呼ぶ地平線の問題。

インフレの解決策

この矛盾を解決するには、次の理論が必要です。宇宙のインフレーション1980 年代にアラン・ガスによって導入されたこの理論は、ビッグバン後の約 \(10^{-36}\) 秒後に時空が非常に急速に指数関数的に膨張することを提案しています。非常に短い期間、宇宙ではその体積が \(10^{26}\) を超える倍数で増加したと考えられます。この段階では、現在では非常に離れている因果的接触領域がもたらされたと考えられ、観察された均一性を説明しています。

物理的な影響と予測

インフレは地平線の問題を解決するだけではありません。また、均一かつ準平坦な初期条件も提供し、宇宙の弱い曲率 (\(\オメガ \約 1\)) と大規模構造を説明します。さらに、WMAP とプランクによって観察された CMB 異方性の起源で、この段階で増幅される量子ゆらぎのスペクトルを予測します。

高エネルギー統一指数

インフレーション段階は、スカラー場 (インフレトン場) の相転移に関連付けられている可能性があり、そのポテンシャルは高エネルギー物理学 (\(E \gg 10^{15}\ \text{GeV}\)) によって支配されます。この場は、宇宙の始まりにおける基本的な相互作用を結び付ける統一理論 (GUT) の現れである可能性があります。

結論: 解決されたパラドックス、根強い謎

地平線問題は、現在広く受け入れられているインフレパラダイムの発展を促進しました。しかし、インフレのまさに起源、インフレ分野の性質、そしてこの段階からの出口は依然として不確実なままです。したがって、この原始時代を理解することは、宇宙論と基礎物理学を結び付けるために不可欠です。