[論文レビュー] The Classification of Universes

James D. Bjorken|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、可動する時空ボックスとしての「宇宙」を定義し、そこにはすべての測定可能な現象が含まれるとし、それらに類似した宇宙の局所的集合を構築することで、現象学的に根拠を持つ多宇宙枠組みを提案する。標準模型のパラメータと逆ハッブル定数（サイズ）との強い相関を仮定することで、生命を支えるサイズの範囲を推定し、自然な分布が小さなサイズを好むことを示唆し、素粒子物理学における階層問題に対する新しい、検証可能なアプローチを提供する。

ABSTRACT

We define a universe as the contents of a spacetime box with comoving walls, large enough to contain essentially all phenomena that can be conceivably measured. The initial time is taken as the epoch when the lowest CMB modes undergo horizon crossing, and the final time taken when the wavelengths of CMB photons are comparable with the Hubble scale, i.e. with the nominal size of the universe. This allows the definition of a local ensemble of similarly constructed universes, using only modest extrapolations of the observed behavior of the cosmos. We then assume that further out in spacetime, similar universes can be constructed but containing different standard model parameters. Within this multiverse ensemble, it is assumed that the standard model parameters are strongly correlated with size, i.e. with the value of the inverse Hubble parameter at the final time, in a manner as previously suggested. This allows an estimate of the range of sizes which allow life as we know it, and invites a speculation regarding the most natural distribution of sizes. If small sizes are favored, this in turn allows some understanding of the hierarchy problems of particle physics. Subsequent sections of the paper explore other possible implications. In all cases, the approach is as bottoms up and as phenomenological as possible, and suggests that theories of the multiverse so constructed may in fact lay some claim of being scientific.

研究の動機と目的

• 可動する時空ボックスとしての宇宙を定義し、すべての測定可能な現象を含む十分な大きさのものとすることで、多宇宙に対する科学的に説得力のある枠組みを確立すること。
• 我々の宇宙の観測された振る舞いから外挿して、因果的に分離されたが近接した時空領域における物理法則と初期条件をもつ、類似した宇宙の局所的集合を構築すること。
• 標準模型のパラメータが、宇宙のサイズ（逆ハッブル定数）と強く相関しているかどうか、特に生命を支える条件と関連して調査すること。
• このような相関が、素粒子物理学における階層問題を自然に説明できるかどうかを検討すること。
• 本アプローチは、観測可能なデータと最小限の仮定に依拠しているため、より広範な多宇宙提案に比べて科学的で現象学的に根拠があると主張し、その仮説的性質にもかかわらず科学的立場を主張すること。

提案手法

• 宇宙を、共動する壁を持つ時空ボックスとして定義し、CMBのホライズン通過期から、CMB光子の波長がハッブルスケールと一致する時点までをカバーする。
• 我々の宇宙の物理法則と初期条件を外挿することで、因果的に分離されたが近接した時空領域における、類似した宇宙の局所的集合を構築する。
• 標準模型のパラメータ（例：結合定数、質量）が、最終的な逆ハッブル定数、すなわち進化の終了時の宇宙のサイズと強く相関していると仮定する。
• Friedmann-Robertson-Walker（FRW）方程式を用いて、放射支配、物質支配、ダークエネルギー支配の各時代における宇宙膨張をモデル化し、それぞれの状態方程式はω = 0、1/3、-1とする。
• 物理的パラメータが宇宙のサイズに比例するとするスケーリング仮説を適用し、特にQCDの1/3や電弱相互作用の1/4といった臨界指数と階層問題を結びつける。
• de Sitter時代にはイベントホライズン距離E(t) = H⁻¹とし、それより前の時代にはE(t) ≈ a(t)η₀とすることで、観測限界と宇宙サイズの進化をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙論的および素粒子物理学的データのわずかな外挿のみを用いて、局所的で現象学的に根拠のある多宇宙集合を構築できるか？
• RQ2 標準模型のパラメータが、宇宙のサイズ（最終時の逆ハッブル定数でパrameter化される）と強く相関しているか？
• RQ3 基本的パラメータの観測値を前提とした場合、我々が知る生命が存在可能な宇宙サイズの範囲は何か？
• RQ4 このような相関が、標準模型のパラメータの微調整が観測される理由を自然な分布として説明できるか？
• RQ5 この多宇宙モデルは、素粒子物理学における階層問題を検証可能または予測可能な形で説明できるか？

主な発見

• 本稿は、最終時の逆ハッブル定数（すなわち、宇宙のサイズ）が、特に階層問題を支配する標準模型のパラメータと強く相関していると提案する。
• パラメータが宇宙サイズに比例するとするスケーリング仮説は、QCDにおける1/3の指数や電弱領域における1/4の指数といった、観測された素粒子物理学の階層を自然に説明する。
• モデルは、この集合において小さなサイズの宇宙が自然に好まれることを示唆し、これが我々の宇宙における階層問題の微調整が顕著に見える理由を説明できる可能性がある。
• 解析により、イベントホライズン距離E(t)はde Sitter時代ではH⁻¹に比例し、それより前の時代ではa(t)η₀に比例することが判明し、log E(t) 対 log aのプロットでは物質および放射支配時代に勾配+1が得られる。
• 本モデルは、QCDの真空構造やインフレーション後の再熱といった現実の物理的問題と多宇宙的推論を結びつける現象学的枠組みを提供し、我々の宇宙内での検証可能な含意を示唆する。
• 観測可能な宇宙論的データと最小限の仮定に根拠を置くことで、本稿は、その仮説的性質にもかかわらず、科学的立場を主張できる多宇宙枠組みを構築できると主張する。