[論文レビュー] Birth of the Universe from the Multiverse

Laura Mersini–Houghton|ArXiv.org|Sep 22, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、標準統計力学において極めて不自然な初期高エネルギー状態を示す宇宙が、偶然ではなく、多宇宙における量子力学的ダイナミクスによって生じると提案している。非平衡過程が高エネルギーな「生き残り宇宙」を好むため、観測された低エントロピー初期状態を説明できる。理論は、例えば巨大な空洞からのISWシグナル強化といった予測可能な兆候を提示するが、それらは観測と矛盾しており、こうした空洞の存在を疑わせる。

ABSTRACT

It is fair to say that the deepest mystery in our understanding of nature is the birth of our universe. Much of the dilemma over the last decades comes from the extraordinarily small probability that the universe started with the high energy Big Bang as compared to the chance of nucleating any other event. How can Big Bang cosmology be $10^{10^{123}}$ times less likely than nucleating the present cold universe, while accumulating such exquisite agreement with astrophysical data? Why don't we see the other nucleations that, if left to chance, seem to overwhelmingly outnumber us? Here I discuss the point of view that the selection of the initial conditions can be meaningfully addressed only within the framework of the multiverse and that the reason why Big Bang inflation was preferred over other events lies in the quantum dynamics of the landscape of the initial patches. The out-of-equilibrium dynamics selected the 'survivor' universes be born at high energies and the 'terminal' universes at low energies. I briefly review the testable predictions of this theory, in particular the giant void observed in 2007. The second part focuses on the extended framework, in particular a set of postulates needed for defining the multiverse.

研究の動機と目的

• 標準統計力学において極めて不確実な低エントロピー・高エネルギー状態で始まった宇宙が、なぜそうであったかというパラドックスを解消すること。
• 低エネルギー宇宙がより確率的であるならば、より多数のボルツマンブレインが通常の観測者を圧倒すべきであるというボルツマンブレインのパラドックスに対処すること。
• 初期低エントロピー状態の物理的メカニズムを特定することで、熱力学的時間の矢を説明すること。
• 熱的平衡やエルゴドリシティの仮定に代わる、多宇宙内での検証可能な枠組みを構築すること。
• インフレーション宇宙論の成功と、その初期状態の極めて不確実な性質を、ランドスケープの量子力学的ダイナミクスによって統合すること。

提案手法

• エネルギースケールとエントロピーが異なる初期量子パッチの集合体として多宇宙をモデル化する。
• 重力およびスカラー自由度における非平衡量子力学的ダイナミクスを適用し、どのパッチが核化して「生き残る」かを特定する。
• エネルギースケール Λ における核化確率を定量化するため、エントロピーとエネルギーの関係式 P ∝ e^S（S ∝ 1/Λ）を用いる。
• 大規模構造に起因する時間変化する重力ポテンシャル Φ をプローブする統合サックス＝ホルツ効果（ISW効果）を分析する。
• ダークエネルギーおよび空洞からの予測されたISWシグナル強化を、観測されたCMB温度非均一性と比較する。
• 観測データ（例：SDSS、2007年の巨大空洞）を用いて、モデルの予測（特にシグナルの抑制対強化）を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 このような状態が指数的に不確実であるにもかかわらず、宇宙がなぜ極めて低エントロピー・高エネルギー状態で始まったのか？
• RQ2 標準統計力学の下では極めて不自然な初期状態であるにもかかわらず、時間の矢が観測可能であるのはなぜか？
• RQ3 低エネルギー核化がより確率的であるならば、なぜボルツマンブレインではなく通常の観測者が支配的であるのか？
• RQ4 多宇宙フレームワークが、人為的要因を除いた動的で非人為的説明を初期状態の選択に提供できるか？
• RQ5 巨大空洞からのISW効果といった観測可能な兆候が、この多宇宙モデルの誤証可能な予測を提供できるか？

主な発見

• 平衡仮定の下では、高エネルギーのビッグバン宇宙の核化確率は e^(1/Λ) の要因によって抑制され、指数的に不確実になる。
• 大規模CMB温度非均一性の観測された抑制は、巨大空洞とダークエネルギーからの予想されるISWシグナル強化と矛盾しており、空洞の存在がモデルと整合しないことを示唆する。
• ダークエネルギーと巨大空洞の組み合わせによるISW効果の合計は、観測されたよりも強い信号強化を示すべきだが、実際のデータは抑制を示している。
• 観測されたシグナルの抑制は、特に2007年の12度の空洞のような巨大空洞の存在が、モデルの予測において極めて不確実であることを示している。
• モデルは、空洞からの期待されるISW強化が観測されていないことによって、誤証可能なテストを提供すると予測している。現在のデータは、巨大空洞とダークエネルギーの共存がモデルと整合しないことを示している。
• 理論は、初期高エネルギー状態を持つ宇宙だけが量子核化において生き残ると示唆しており、人為的微調整を避けて初期低エントロピー状態の動的説明を提供する。