「宇宙の終わり」について現代の物理学から予想される4つの可能性とは？

by Kees Scherer

宇宙はおよそ140億年前に無から生まれ、超高温の火の玉の状態から今に至るまで膨張し続けていますが、永遠の存在ではなく、いずれ終わりがくるといわれています。現代の物理学の観点から考えられる「宇宙の終わり」の4つの可能性について海外メディアのcuriosityが説明しています。

How Will the Universe End? Here Are 4 Possibilities
https://curiosity.com/topics/how-will-the-universe-end-here-are-4-possibilities-curiosity/

宇宙の膨張を主張する「ビッグバン仮説」は1920年代に唱えられました。その後、銀河の波長に見られる赤方偏移や宇宙背景放射など、宇宙が膨張している証拠が発見されたことで、ビッグバン仮説は定説として受け入れられました。

しかし、宇宙が変化し続けているという考えは「宇宙にも終わりがあるのではないか」という疑問を生み、多くの天文学者・物理学者を悩ませることになりました。2018年現在、宇宙の終わりについては4つの可能性が示唆されています。

◆1：宇宙の熱的死
宇宙の温度は均一ではなく、高い温度の場所もあれば、低い温度の場所も存在します。「熱は高い温度から低い温度へ移動し、その逆は成立しない」という熱力学第二法則に基づいて考えた場合、長い目で見ると宇宙全体のエネルギーは均一に近づいていくといえます。宇宙全体のエネルギーが均一になるということは「何も現象が起こらない」という「宇宙の熱的死」を意味します。

この説は「宇宙全体のエネルギーが有限である」「宇宙が永遠に膨張し続ける」という考えが前提になっています。ただし、宇宙の有限性は証明されていないため、必ずしも宇宙が熱的死を迎えるとはいえません。

◆2：ビッグクランチ
膨張を続けている宇宙が、ある時点で膨張から収縮に転じ、まるでぱんぱんに膨らんだ風船から空気が抜けるようにしぼみ、最終的に無次元の特異点に収縮してしまうという考え方が「ビッグクランチ」です。この特異点は宇宙の終わりだけではなく、新しい宇宙の始まりに繋がるのではないかと考える科学者も存在します。

◆3：ビッグリップ
宇宙の全エネルギーの約68％を占めているといわれているのが、「ダークエネルギー」と呼ばれる仮説上のエネルギーです。ダークエネルギーは宇宙の膨張を加速させている原因と考えられていて、エネルギー密度が時間と共に増加していると仮定した場合、いずれ自然界を構成する4つの力すら上回り、宇宙全体が素粒子レベルでバラバラになってしまうという「ビッグリップ」という現象で宇宙が終わってしまうと予想されています。

ビッグリップ仮説は2003年に提唱された、比較的新しい仮説です。しかし、ダークエネルギーの密度が増加を示すような兆候が観測されていないことから、多くの科学者はビッグリップ仮説に対して否定的です。宇宙理論物理学者であるケイティー・マック氏は、2018年7月に行われた講演で「仮にビッグリップが訪れるとしても、少なくとも1200億年はかかると考えられるので、安心してお待ちください」と述べています。

◆4：真空崩壊
宇宙物理学や量子力学の世界では、「物質が一切存在しないが、最低限のエネルギーを固有している場の状態」を「真空」と呼びます。また、真空に近い準安定状態であり、真空よりも大きなエネルギーを固有している場の状態を「偽の真空」と呼びます。非常に難しい話ですが、例えるなら、真空とは「波一つなく穏やかな湖」、偽の真空とは「波一つなく穏やかな『山上』の湖」です。私たちが生きている宇宙を満たしている真空が真の真空なのか偽の真空なのかは、未だに判明していません。

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もし宇宙を満たしている真空が偽の真空であった場合、ふとしたはずみで真の真空へ相転移してしまう可能性があります。「真の真空への相転移」とはいわば「何かのきっかけで山上の湖が決壊して一気に山の麓へ水が流れ出てしまう状態」で、これを「真空の崩壊」と呼びます。ある空間で真空崩壊が起こると、触れた構造は一瞬にして崩壊してしまうという、極めて高エネルギーの「真の真空の泡」が発生します。「真の真空の泡」は光速で広がっていき、人間が観測することは不可能であるため、私たちが気づかないうちに宇宙全体が崩壊してしまうといわれています。

熱的死・ビッグクランチ・ビッグリップが起こるのは数十億～数百億年も先のことですが、真空崩壊はいつでも起こり得るといえます。私たちが住む地球にまで真空の泡が広がっていないだけで、広大な宇宙のどこかで真空の泡が既に発生している可能性すらあります。ただし、「真空崩壊」はあくまでも場の量子論から提唱される仮説であり、現代の物理学でもはっきりしない点が多く、真空崩壊が実際に起こりうるものなのかどうかは物理学者の間でも意見が大きく割れているとのことです。