[論文レビュー] The fate of black hole singularities and the parameters of the standard models of particle physics and cosmology

Lee Smolin|ArXiv.org|Apr 7, 1994

Relativity and Gravitational Theory参考文献 5被引用数 28

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的自然選択を提唱する。この理論では、ブラックホールの特異点が量子重力効果によって反発し、物理的パラメータがランダムに変化した新しい宇宙を生成する。この理論は、我々の宇宙のパラメータがブラックホール生成を最大化するように調整されていると予測し、銀河のスパイラル構造における観測的・天体物理学的分析によって、パラメータのわずかな変化がブラックホール生成率を低下させることを示している。

ABSTRACT

A cosmological scenario which explains the values of the parameters of the standard models of elementary particle physics and cosmology is discussed. In this scenario these parameters are set by a process analogous to natural selection which follows naturally from the assumption that the singularities in black holes are removed by quantum effects leading to the creation of new expanding regions of the universe. The suggestion of J. A. Wheeler that the parameters change randomly at such events leads naturally to the conjecture that the parameters have been selected for values that extremize the production of black holes. This leads directly to a prediction, which is that small changes in any of the parameters should lead to a decrease in the number of black holes produced by the universe. On plausible astrophysical assumptions it is found that changes in many of the parameters do lead to a decrease in the number of black holes produced by spiral galaxies. These include the masses of the proton,neutron, electron and neutrino and the weak, strong and electromagnetic coupling constants. Finally,this scenario predicts a natural time scale for cosmology equal to the time over which spiral galaxies maintain appreciable rates of star formation, which is compatible with current observations that $Ω= .1-.2$.

研究の動機と目的

• 基本粒子および宇宙論的パラメータが観測された値をとっている理由、特に複雑な構造とブラックホール形成に最適化されている理由を説明すること。
• 量子重力がブラックホール特異点を解消し、パラメータがランダムに変化した新しい宇宙を生成するという仮説を検証すること。
• 観測された物理定数の値が、スパイラル銀河におけるブラックホール生成量を最大化しているかどうかを特定すること。
• 検証可能な予測を提示すること：主要パラメータのわずかな変化はブラックホール生成量を低下させると予測され、天体観測および星の進化モデリングによって実証的反証が可能となる。

提案手法

• 量子重力がブラックホール特異点を反発させることで、因果的に分離された拡張する新しい宇宙が生成されると仮定する。
• 自然選択のアナロジーを適用する：ブラックホール生成率が高い宇宙はより多く複製され、その結果、ブラックホール生成量を最大化するパラメータセットが有利になる。
• スパイラル銀河の天体物理学的モデリングを用い、陽子と中性子の質量差、電子およびニュートリノの質量、結合定数などの主要パラメータの摂動に対するブラックホール形成率を推定する。
• 超新星のエネルギー出力および核合成（特にホイリー状態による炭素12の生成）の変化を評価し、ブラックホール生成に対する感受性を分析する。
• 重力と微細構造定数の関係（キャリソン関係）や、タイプII超新星における弱い相互作用の役割といった星の進化の制約を分析する。
• モデルの予測を、現在の宇宙論的データ（Ω ≈ 0.1–0.2）と照合し、整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子と中性子の質量差の観測値が、スパイラル銀河におけるブラックホール生成量を最大化しているか？
• RQ2 電子またはニュートリノの質量を増加させると、星の崩壊時に形成されるブラックホール数は減少するか？
• RQ3 強い相互作用または電磁相互作用の結合定数の変化は、炭素核合成を通じてブラックホール生成量にどのように影響するか？
• RQ4 宇宙定数およびニュートリノ質量の微調整は、最大のブラックホール生成を目的とした選択によって説明可能か？
• RQ5 観測されたΩ ≈ 0.1–0.2の値は、スパイラル銀河における持続的星形成時間スケールと整合的か？

主な発見

• 陽子-中性子質量差Δmの逆転は、超新星の力学的挙動および核合成の変化により、ブラックホール生成量の顕著な低下を引き起こす。
• 超新星のエネルギー出力および物質噴出に影響を与えるフェルミ結合定数GFermiの変化は、ブラックホール生成量を低下させ、宇宙論的自然選択の予測を支持する。
• 中性子-陽子質量差、電子質量、ニュートリノ質量、または微細構造定数αの増加が臨界閾値を超えると、炭素12の生成が不安定化し、ブラックホール形成が減少する。
• 強い結合定数αstrongを臨界閾値未満に低下させると、炭素12が不安定化し、星のエネルギー生成およびその後の超新星駆動型ブラックホール形成に不可欠な要因が消失する。
• このシナリオは、スパイラル銀河の星形成期間に結びつく自然な宇宙論的時間スケールを予測しており、現在のΩ ≈ 0.1–0.2の観測推定値と整合的である。
• このモデルは、宇宙定数およびニュートリノ質量の小ささを、高いブラックホール生成を目的とした選択の結果として説明でき、インフレーションによる微調整の代替的で検証可能な説明を提供する。