ダークエネルギーを、明るさの中に持ち出す
ダークエネルギーを、明るさの中に持ち出す
(図 銀河 Pixabay)
(Fig.) アーティクル・イメージ 天文学者達はこう考えています、宇宙の膨張は重力と神秘的な暗黒エネルギーの両方によって統制されています。このアーティストの概念では、ダークエネルギーは上の紫のグリッドで表され、重力は下の緑のグリッドで表されます。(クレジット ©NASA / JPL-Caltech)
ポール・サッター(Paul Sutter)氏は、オハイオ州立大学(Ohio State University)の天体物理学者で、COSI科学センターのチーフ・サイエンティストです。サッター氏はまた、「宇宙の人に聞く(Ask a Spaceman)」と「宇宙ラジオ(Space Radio)」のホストで、世界中のアストロ・ツアー(AstroTours)をリードしています。サッター氏はこの記事をSpace.comの専門化の声(Expert Voice)：Op-Ed＆Insightsに寄稿しました。
ダークエネルギー(dark energy)についてお話しましょう。私達は約20年にわたり、宇宙の拡大が加速していることを知っています；毎日、私達の宇宙(cosmos)はますます大きくなり、どんどん速くなります。それは捉え難い効果であり、科学者にそれを気付かせるために広範かつ深い宇宙論的調査と研究が必要です。しかし、複数の独立した証拠は、総て同じ結論を示しています。
天文学者は、その急速な拡大にすぐにクールな名前をつけました： ダークエネルギー。しかし今、私達は、犯人を探すより困難な仕事を残しています － それを引き起こしているのは何でしょうか。[ダークマターとダークエネルギー：ミステリー解説(インフォグラフィック、Infographic)]
普遍的な間違い
私達は、宇宙の拡大を含む総ての表明の中で重力を理解するために、アルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)氏の大作、一般相対性理論を使います。しかし、その理論の方程式にはいくつかの揺れの場所があります。具体的には、それらには「宇宙論的定数(cosmological constant)」と呼ばれる項目を考慮しており、最後に追加することができます。この定数を追加しても、理論上、通常の日常的な重力相互作用の理論の説明は変わりませんが、宇宙の膨張を計算するときにはそれ自体が知られています。
私達の自然な傾向は、この定数をゼロに設定してそれを忘れることになりますが、しかし、アインシュタイン氏は自らそれを紹介しました。何故ならば、それがなければ彼の相対性理論は動的[ダイナミック]な宇宙を予測することを発見したからです。当時、物理学者と一般市民の両方は、宇宙を静的で不変なものと考えていたので、アインシュタイン氏はそれらの動的予測を防ぐために定数の値を設定しました。そうして天文学者のエドウィン・ハッブル(Edwin Hubble)氏は、私達が拡大する宇宙に実際に住んでいることを皆に示しました。そしてアインシュタイン氏は、革命的な観測を予測する絶好の機会を逃したことを実感しました。しかたがありません。
しかし、今日では、私達は急速な拡大に直面しています。私達がもっとも簡単に説明するのはそのことは、ダークエネルギーは単にアインシュタイン氏が起源の宇宙論的定数なのです。けれども、定数そのものは単なる数値ですが、物理的な意味は何なのでしょうか。
真空を見よ
1960年代には、ソビエトの天体物理学者で総てにおいて天才のヤコブ・ゼルドヴィッチ(Yakov Zel'dovich)氏が、驚くほどのつながりを作りました。アインシュタイン方程式に現れる宇宙論定数は、量子場理論(quantum field theory)が予測する真空エネルギー(vacuum energy)以外のものではありません。
その理論によれば、一組の量子場が総ての時空を透過します。時々、これらの場の一部がエキサイト[興奮]して動き回り、これが私達が粒子として特定するものです。しかし、かき乱されていないまま、場は依然エネルギーに関連付けられています。言い換えると、時空の空(カラ)の真空は生のエネルギーを持っており、そのエネルギーは一般相対性理論における宇宙論的定数と特定でき、それがダークエネルギーそのものかもしれないことを意味します。
The Mysterious Nature of Dark Energy - Ask a Spaceman!
(9:34) 2018/07/18
それで今、私達は追求の何らかの道を持っているので、ダークエネルギーの価値をどのように予測されるでしょうか。数学は簡単ではありませんが、量子場理論の風変わりさを変えポップ(pops)にしなければなりません…無限に。それはうまくいかないでしょう。
ダークエネルギーの予測値を無限にならないようにするために遊べるゲームがありますが、しかし、あなたが何をしても、あなたは常にとても大きな数字に終わります。しかし、ダークエネルギーの実際の観測された量は、加速膨張率から計算したものでしょうか。それはとても小さいです：1立方メートル(35立方フィート)あたり1水素原子未満のエネルギー相当に相当します。
ダークエネルギーの予測値と、観測された膨張率との間の「マイナーな」矛盾は、現代物理学における最大のパズル[謎々]の1つです。そしてその完全な解決は、おそらく量子力学と一般相対性理論との間での真の計算でのみ起こるでしょう。
それまで私達は、どのように真空エネルギーが膨張を加速させるのかを、理解するべきです。
押すために引きなさい
これは、物理学の背後にある数学が完全に直接的で明白な奇妙なケースの1つです：簡単に言えば、一定の真空エネルギーは、宇宙の膨張を加速させる原因です。しかし、この結論を言葉に入れて、私達は直感的にそれが全く別の問題であることを理解することができます。それは宇宙学者が何十年間も戦ってきたことです。
私はそれを自分で撃つつもりですが、しかし、もしあなたが自分に言いたいのならば、「数学がそう言っているから」と次のセクションに進んでも、私はあなたを責めません。
真空エネルギーの2つの重要な特性は、膨張に影響することです。1つは真空の持続性です； 宇宙が拡大するにつれて、そこにはより多くの空間が広がり、より多くの真空があるので、より多くの真空エネルギーがあります。なので、私達の進化する宇宙では、ますます多くのダークエネルギーが横たわることになります。膨張の鍵である第2の真空特性は、真空が張力を持っていることです(通常、混乱する、「負圧」と称されますが、同じです)。このテンション[張り]は宇宙の拡大に抵抗します； それは拡大する宇宙に抵抗しようとしています。
これらの2つの性質をまとめると、あなたが期待しているものとは完全に反対のものを、あなたは得ます。この訳は、一般相対性理論の方程式は、宇宙の膨張の挙動を決定するために総てのエネルギー源をカウント[集計]し、異なるエネルギー源がポジティブ[正]またはネガティブ[負]な影響を与えられるからです。なので、真空の生のエネルギーがカウントされ、それが引力的な貢献となり、宇宙の膨張を遅くします。しかし、実際に斥力となる真空のテンションも同様です。言い換えれば、一般相対性理論の数学では、ダークエネルギー由来のテンションは負の符号を持ち、宇宙の膨張を加速するのに貢献します。
How to Accelerate an Expanding Universe - Ask a Spaceman!
(12:17) 2018/07/25
一般相対性理論は、生のエネルギーよりも圧力とテンションをより重視していることが判明しました。これは私達の日々の経験ではほぼ馴染みのないものです； ほとんどの場合、太陽系内の動きやブラックホールの付近の動きでさえ、圧力/テンションは計算上重要ではありません。しかし、ここで重要です。
究極の皮肉は、宇宙を縮小しようとするダークエネルギーが毎日ますます増えているにもかかわらず、その膨張に対するそれ自身の抵抗は、方程式全体を反転させ、代わりに宇宙の成長を加速させます。
ダークで
上記の説明は、満足しているか否かかもしれません。繰り返しますが、数学ははっきりしていますが、これらの方程式を英語に翻訳する簡単な方法はありません。それにもかかわらず、現在、真空エネルギーの挙動が、宇宙の加速拡大を説明する最良のものです。そして、それは偉大なものではありません。私達が理解したように、私達は、加速の量を予測する能力に酷く欠如しています。
ダークエネルギーの存在は間違いありませんが、その原因は最終的には不明です。疑わしいことがありますが、確かな証拠はありません。私達は、宇宙の膨張の割合と、膨張の割合の歴史をより高い精度で測定する必要があります。ですが、ダークエネルギーはとても微妙な効果であるため、(願わくは)いくつかの答えを明らかにするためには、全く新しい世代の観測が必要になります。
----- 出典 -----
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私達が、真空(空っぽ)と日常的にイメージしているものは、実はエネルギーで満たされている。場[フィールド] は量子真空で、場 ≒ 素粒子(量子) ⇒ 空間 ≒ 物質 となる概念です。
まぁ、物理学は先人達が確立した常識との戦いでしょうか。その恩恵で、今使われているだろうパソコンやスマートフォンもあるのでしょう。そして、私達はいずれ、量子真空から潤沢なエネルギーを取り出せるようになるかもしれません。
----- パズルのピース -----
zzak.hatenablog.jpzzak.hatenablog.jpzzak.hatenablog.jpzzak.hatenablog.jp
