[論文レビュー] In What Sense Is the Early Universe Fine-Tuned?

Sean M. Carroll|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 61

ひとこと要約

Carrollは、初期宇宙の微調整が、伝統的な因果的分離問題や平坦性問題ではなく、宇宙論的経路の測度を通じて最もよく理解できると主張する。すなわち、低エントロピーで滑らかで空間的に平坦な宇宙に至る歴史の大部分は極めてまれである。この枠組みの再定式化により、インフレーションが根本的な微調整問題を解決できないことが示され、問題は因果的分離や曲率の進化ではなく、初期条件の測度にあることが明らかになる。

ABSTRACT

It is commonplace in discussions of modern cosmology to assert that the early universe began in a special state. Conventionally, cosmologists characterize this fine-tuning in terms of the horizon and flatness problems. I argue that the fine-tuning is real, but these problems aren't the best way to think about it: causal disconnection of separated regions isn't the real problem, and flatness isn't a problem at all. Fine-tuning is better understood in terms of a measure on the space of trajectories: given reasonable conditions in the late universe, the fraction of cosmological histories that were smooth at early times is incredibly tiny. This discussion helps clarify what is required by a complete theory of cosmological initial conditions.

研究の動機と目的

• 伝統的なホライズン問題と平坦性問題の枠組みを超えて、初期宇宙がどの程度微調整されているかを明確に定義すること。
• 因果的分離と空間的曲率が根本的な問題ではなく、むしろ滑らかで低エントロピーな初期条件の測度が低いことが問題であると主張すること。
• 初期に均質的かつ空間的に平坦な状態であるような宇宙論的歴史の統計的レアリティに起因する、真のパズルが存在することを確立すること。
• インフレーションが根本的な微調整問題を解決しないこと、なぜなら必要な初期条件が依然として極めて確率が低いからであることを示すこと。
• 微調整を宇宙論的経路の測度に根拠を置くことで、初期条件の完全な理論を構築するための枠組みを提供すること。

提案手法

• 初期に滑らかで空間的に平坦な状態である歴史の割合を数値化するため、宇宙論的経路の空間への測度を用いる。
• 一般相対性理論における正準測度を適用し、低エントロピーで均質な宇宙に至る初期条件の確率を評価する。
• ホライズン問題を因果的分離の問題としてではなく、すべての可能な経路の中で均質な初期状態が統計的にまれであるという点として再解釈する。
• 平坦性が問題でないことを示す。正準測度のもとでは、ほとんどすべての経路が空間的に平坦であるため、観測された平坦性は驚くに値しない。
• インフレーションの初期条件と標準ビッグバンの初期条件のエントロピーと測度を比較し、前者も依然として極めて微調整されていることを示す。
• 過去仮説と熱力学的推論を援用し、問題を低エントロピー初期状態が統計的に不確実であるという問題として位置づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝統的なホライズン問題と平坦性問題を超えて、初期宇宙がどの程度微調整されているのか、その正確な意味は何か？
• RQ2 なぜホライズン問題が因果的分離の問題として誤って解釈されているのか、なぜそれはすべての可能な経路の中で均質な初期状態の統計的まれさという点ではないのか？
• RQ3 平坦性問題は本当に存在するのか、それとも空間的平坦性は正準測度のもとで一般的な結果であり、微調整ではないのか？
• RQ4 インフレーションだけでは宇宙論的微調整問題を解決できるのか、それとも問題をより確率が低い初期状態に移し変えているだけなのか？
• RQ5 宇宙論的経路への測度は、宇宙論における初期条件の完全な理論の構築にどのような含意を持つのか？

主な発見

• ホライズン問題は根本的に因果的分離の問題ではなく、宇宙論的経路の空間全体において均質な初期条件が統計的にまれであるという点に起因する。
• 平坦性問題は幻想的である。正準測度のもとでは空間的平坦性は一般的な結果であり、微調整ではない。したがって、観測された平坦性は驚くに値しない。
• 初期に低エントロピーで滑らかな状態である宇宙は極めて不確実である。初期にそのような滑らかさを示す宇宙論的歴史の割合は極めて小さい。
• インフレーションは微調整問題を解決しない。なぜなら、インフレーションを開始させるために必要な初期条件自体が、標準ビッグバンモデルのそれよりもさらに微調整されているからである。
• 経路の測度は、1つの銀河があるか、構造のない宇宙が、私たちが観測する構造を持つ宇宙よりもエントロピーが高く、測度が大きいことを示しており、なぜ私たちはそのような状態に住んでいないのかというより深い問いを提起する。
• 宇宙論の真の課題は、なぜ宇宙が滑らかで平坦であるかを説明することではなく、なぜ複雑さと生命の出現を可能にする低エントロピーで低測度の状態にあるのかを説明することにある。