[論文レビュー] The Arrow of Time and the Initial Conditions of the Universe

Robert M. Wald|ArXiv.org|Jul 21, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙が極めて低エントロピー状態にあったことに起因して、我々の宇宙における熱力学的時間の矢が生じると主張している。この状態は、力学的過程だけでは説明できない。論文は、このような初期条件が、混沌的またはインフレーション的力学の結果ではなく、宇宙の起源における根本的な特徴であると解釈すべきだと主張しており、このようなモデルにおける人間中心的思考の避けがたい循環的構造ゆえである。

ABSTRACT

The existence of a thermodynamic arrow of time in the present universe implies that the initial state of the observable portion of our universe at (or near) the ``big bang'' must have been very ``special''. We argue that it is not plausible that these special initial conditions have a dynamical origin.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙が熱力学的時間の矢を示す理由を、その低エントロピー初期状態に根ざして説明すること。
• 初期宇宙の低エントロピー状態が、混沌的インフレーションなどの力学的起源である可能性を否定すること。
• 宇宙論的モデルにおける人間中心的原理が、初期条件を説明する真の説明的力を持たないことを主張すること。
• 低エントロピー初期状態を、宇宙の起源における根本的で非力学的な特徴として扱うべきだと提唱すること。
• 一般相対性理論的・宇宙論的系に標準的な統計力学と熱力学を適用する際の限界を強調すること。

提案手法

• ニュートン的および一般相対性理論的枠組みにおいて、自己重力系のエントロピーを分析し、最大エントロピー状態が均一分布ではなくブラックホール形成を含むものであることを示している。
• ブラックホールエントロピーのベケンシュタイン＝ホーキング式を適用し、均一な初期宇宙は、ブラックホールを含む塊の状態よりもはるかに低いエントロピーであったと主張している。
• 一般相対性理論における可積分性と時間並進不変性の適用可能性を批判的に検討している。
• 人間中心的原理が初期条件を予測するために果たす役割を評価し、循環的論理に帰着することを示している。
• ランダムな初期条件とインフレーション的ダイナミクスの下で、我々の宇宙と同様の宇宙を観測する可能性を比較し、予測可能なメカニズムがない限り、両者とも同様に不確実であると結論している。
• 量子重力理論が必要であるが、重力的エントロピーの定式化は、初期状態の特異性に関する核心的洞察が堅牢であると主張している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ現在の宇宙は熱力学的時間の矢を示すのか？
• RQ2 均一で熱平衡状態に見える物質が高エントロピー状態であるように見える中で、初期宇宙の低エントロピー状態はどのように説明できるのか？
• RQ3 初期宇宙の低エントロピー状態は、混沌的インフレーションなどの力学的過程によって説明可能か？
• RQ4 人間中心的原理は、観測された初期条件を予測的に説明するのにどの程度有効か？
• RQ5 低エントロピー初期状態は、力学的結果か、それとも宇宙の境界条件としての根本的特徴か？

主な発見

• 重力が作用する系では、塊の状態（特にブラックホールを含むもの）がエントロピー的に好まわれるため、均一で熱平衡状態に見える初期宇宙は、極めて低エントロピー状態にあったはずである。
• 一般相対性理論において、与えられたエネルギーと体積の下で最大エントロピー状態は均一分布ではなく、巨大ブラックホールを含むものであり、そのエントロピーは均一状態よりもはるかに大きい。
• 混沌的インフレーションなどの力学的説明は、観測された低エントロピー初期状態を信頼性を持って予測できない。なぜなら、極めて不確実な初期条件に依存しているからである。
• 人間中心的思考は説明的力を持たない。なぜなら、生命の確率を、主要な天体的特徴の確率に置き換えることで、循環的論理に帰着するからである。
• 低エントロピー初期状態は、力学的結果よりも根本的境界条件としてより妥当に解釈されるべきであり、このような状態に至る力学的経路は、微調整を要するからである。
• 重力的エントロピーを厳密に定式化するには完全な量子重力理論が必要であるが、初期状態の特異性に関する核心的結論は、依然として堅牢である。