宇宙物理学および宇宙論における未解決の問題

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 現代の天体物理学および宇宙論は、銀河の形成と進化に関する多くの未解決の問題に直面している。
  • 現在の理論モデル、たとえばビッグバン理論は、宇宙背景放射の均一性のような観測結果を説明できない。
  • 素粒子物理学と重力の間の関係はまだ不明であり、重力の量子化は未解決の課題のままである。

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現代の天体物理学および宇宙論における未解決の問題

…これらの分野は、まさに未解決の問題に圧倒されている。歴史的に見れば、宇宙の研究は幾つかの段階を経てきた。ここでは天文学の歴史を遡ることはない。分光法により、物体の組成や温度に関する重要なデータが得られた。ドップラー効果の測定により、遠方の天体の速度場が明らかになり、太陽系の直径よりもはるかに大きなスケールでの星の質量を推定することが可能になった。距離の標準的な基準(セフェイド変光星)の発見により、距離測定は宇宙規模(5000万光年)まで拡大された。

…微分幾何学の道具を宇宙論(場の方程式)に応用することで、宇宙の膨張や局所的な相対論的現象といった、ある種の現象に対して新たな視点が得られた。

…原子核物理学の発見により、星のモデルが構築された。しかし前述したように、人間が星の働きを理解していると信じていたのは、突然、覆されるに至った。

…同じ原子核物理学は、過去をさらに遡ることを可能にし、例えばヘリウムの豊富さを説明することができた。

しかし:

  • 宇宙に存在する銀河の理論的モデルは全く存在しない。この分野では、まだ経験主義の段階を越えていない。

  • これらの物体がどのように形成されるのか、なぜその質量であり、他の質量ではないのか、またどのように進化するのかは不明である。銀河の回転曲線に見られる外縁部の高い速度は、依然として謎である。

  • スパイラル構造に関する理論は、数値シミュレーションに依存しているだけで、非常に疑わしい。

  • 質量測定値と観測された速度場の間に大きな不一致が生じている(「欠落質量」現象)。

  • 銀河団においても同様の不一致が見られる。

  • 多くの銀河は非常に不規則な形状をしており、イギリスの天文学者ジェインズ卿はかつて「このような形状を見ると、宇宙に巨大な力が働いているに違いないという思いが抑えがたい。しかし我々はその性質を知らない」と述べた。

  • 宇宙論の面では、我々の銀河に存在する最も古い星から推定される宇宙の年齢と、膨張の観測(ハッブルの法則、ハッブル定数)から得られる年齢との間に、ある程度の不一致が存在する。

  • 大規模な構造、つまり巨大な空洞に囲まれた銀河の分布といった、大規模な宇宙構造の成り立ちを説明できない。

  • 複数の銀河対がハッブルの法則に反していることが確認されている(近い銀河の赤方偏移が、背景にある遠い銀河のそれよりも大きい)。

  • 太陽系のサイズを上回らないが、1つの銀河に匹敵するエネルギーを放出する、非常に高い赤方偏移を持つ天体(クエーサー)が発見された。エネルギー源は不明。一部の天文学者は、これらが「活発銀河核」(セーファート銀河)の中心にあると仮定している。しかし「活発銀河」とは何かと問われると、「中心にクエーサーを有する銀河」と答えるにとどまる。

  • 平均して1日1回の割合で、天文学者はガンマ線フラッシュを記録している。発生メカニズム、距離、発生源の性質はすべて不明である。

  • 重力レンズ効果(銀河や銀河団によって生じる)は、観測された質量と一致しない。

  • 理論は、質量の大きな星の残骸である中性子星の存在を予言した。一般に、理論家が予言した天体(1931年にアメリカのフリッツ・ツヴィッキーが超新星を予言したように)は、発見が速やかに進み、その後数百に達する。中性子星は、高速回転することで「パルサー」と呼ばれる現象を生じる。これらはしばしば、質量を供給する伴星と関係しており、その質量が中性子星の「臨界質量」(太陽質量の2.5倍程度)を超えると、中性子同士が密に圧縮され、重力に対抗できなくなり、星が自身の重力で崩壊する。しかし、この崩壊過程を記述する方法は不明である。場の方程式の解として導入されたブラックホールモデルには、深刻な欠陥がある。それは

**S **= 0

という式の解であり、すなわち T = 0 の方程式、すなわちエネルギー・物質の密度がゼロである空間領域を記述するものである。さらに、このモデルに反論する根拠として、30年間でブラックホール候補が極めて少ないこと、そして、何にでも使われて「説明」の道具として使われていることである。

  • 宇宙論に戻ると、標準モデル(ビッグバン理論)は、2.7Kの宇宙背景放射という、原始宇宙の化石的痕跡の驚くべき均一性を説明できない。このモデルによれば、宇宙の初期段階では、互いに近接する2つの粒子が光速を超える速度で離れていく。したがって、それらは相互作用できない。原始宇宙は非衝突的であったはずである。ならば、なぜ均一だったのか?

  • ある時点を境に、過去にさかのぼって時間の定義が不可能である。また、極めて高密度・高温状態の宇宙の記述は、現在の高エネルギー物理学における危機によって妨げられている。

  • 標準モデルはアインシュタイン方程式の解に基づいているが、電磁気現象を扱うことができない。より広く言えば、素粒子物理学と宇宙の大規模な振る舞いとの間の関係は確立されていない。『古典的および量子重力』という学術誌が存在するが、重力に対する量子化の手法は拡張されておらず、仮想的な重力子(graviton)の定義さえもできない。

50年の非物理学

…科学的危機は、天体物理学や宇宙論にとどまらない。量子力学の予測的成功は錯覚にすぎない。理論の多くの分野は、半経験的である。たとえば、素粒子の質量や電荷を関係づける手段は存在しない。素粒子の質量を予測することもできない。クォークモデルは、プトレマイオスの均等円のモデルに似ていて、不満が残る。量子力学は、太陽 neutrino の欠損を説明できない。

…現在、理論物理学者の大多数が、他のアイデアが見つからないため、超弦理論の世界に注目している。しかし、30年間にわたり、この「新しい分野」は、いかなる観測結果にも説明できず、また、いかなる実験の提案もできていない。数学者のジャン=マリー・スリアウ(彼自身が理論物理学を「数学から厳密さを除いたもの、物理学から経験を除いたもの」と定義している)は、「我々は50年間の非物理学を経験した」と述べた。彼は、ファインマンの研究(1950年代の成果)以来、本格的な理論物理学の発見は一つもなかったと評している。

…数年前、彼は国際超弦理論シンポジウムの議事録を私に見せながら、会議の開会挨拶の一部を読んだ:

  • 「超弦理論は、これまでにいかなる現象も予言せず、いかなる実験や観測も解釈できていないにもかかわらず……」