ビッグバウンス

ビッグバウンスとは、現在の標準的な宇宙論であるビッグバンモデルとは異なる視点から、宇宙の起源と進化を描こうとする仮説的な宇宙論モデルです。

このモデルの根本的な考え方は、宇宙の始まりであるビッグバンを、無からの創造ではなく、それ以前に存在した宇宙が収縮の末に経験した「反跳（バウンス）」であると捉える点にあります。つまり、宇宙は膨張期と収縮期を繰り返し、ビッグクランチ（大収縮）の後に新たなビッグバン（ビッグバウンス）が生じると考える、「振動宇宙論」や「周期的モデル」の一種として提案されました。

拡大と収縮のサイクル

ビッグバウンスの概念では、現在の私たちの宇宙が経験している膨張は、先行する宇宙の収縮期に続く拡大期であるとみなされます。宇宙は一度極限まで収縮した後、そこで何らかのメカニズムによって収縮から反転し、再び膨張を開始します。このプロセスが繰り返されるとすれば、私たちの宇宙は無限に続く宇宙の歴史の連鎖の中に位置づけられることになります。

しかし、それぞれの反跳の間に宇宙の状態が完全に偶発的に決定されると仮定するならば、無限のサイクルの連続という考え自体が、個々の瞬間における時間的な特異点を表現しているに過ぎず、その意味を問うことは難しくなるという哲学的・理論的な考察も存在します。

特異点の回避と量子論

ビッグバン理論が抱える主要な課題の一つに、宇宙の始まりの瞬間に物理法則が機能しなくなる「特異点」の存在があります。密度や曲率が無限大になるこの特異点は、私たちの知る物理学の限界を示唆しています。ビッグバウンスの量子論的なアプローチでは、宇宙が極めて高密度な状態に達した際に、量子力学的な効果が支配的になり、古典的な特異点を回避できると考えられています。

宇宙がプランク時間（約10⁻⁴³秒）のような極めて短い時間スケールで、物理的な限界に近づくにつれて、真空中の光速をはじめとする基本的な物理定数が一定ではなくなる可能性や、量子的な不確定性によって時空の構造が変動し、収縮から反発への転換が引き起こされるメカニズムが研究されています。このような量子的な「反発力」が、無限大の密度への到達を防ぎ、滑らかなバウンスを可能にすると期待されています。

歴史的背景とインフレーション理論の影響

ビッグバウンスのアイデアは、ウィレム・ド・ジッターやジョージ・ガモフといった初期の宇宙論研究者たちによって、理論的な整合性や美的観点から支持されていました。しかし、ガモフ自身は、物理学的な観点から崩壊前の期間について議論することは難しいと述べています。

1980年代に入ると、観測技術の飛躍的な進歩により、宇宙の大規模構造が極めて平坦で均質かつ等方的であることが明らかになりました。この観測結果は、宇宙の異なる領域が、光速を超えずに情報を交換できたはずもないのに、なぜこれほど似通った性質を持つのかという「地平線問題」を強く意識させました。この問題に対する有力な解決策として登場したのが、宇宙の初期にごく短時間、空間が指数関数的に急膨張したとする「インフレーション理論」でした。インフレーション理論は急速に宇宙論の主流となり、ビッグバウンスを含む周期的モデルは一時的に本格的な研究の対象から遠ざかりました。

インフレーション理論への疑問とビッグバウンスの再評価

しかし、2000年代に入ると、インフレーション理論にもいくつかの問題点が指摘されるようになりました。その一つは、理論のパラメータが観測結果に合わせて任意に調整可能であり、予測よりも観測を説明するために「微調整」が必要になるという点です。また、インフレーションが一度始まると永続的に続く性質を持つ場合、私たちの観測可能な宇宙が、本来は無限に多様な性質を持つ無数の宇宙（マルチバース）の中の、単なる偶然の産物であるかのように見えてしまうという問題も浮上しました。

このような背景から、インフレーション理論に代わる、地平線問題に対する予測可能で反証可能な解決策を提供するモデルとして、ビッグバウンス理論が再び注目を集めるようになりました。2017年頃まで、この分野は非常に活発な研究対象でした。

現代の理論と関連研究

現代のビッグバウンス研究は、特に量子重力理論の進展と関連が深いです。

ループ量子宇宙論（LQC）: ループ量子重力理論の一部であるループ量子宇宙論は、ビッグバウンスを理論的に支持する主要な枠組みの一つです。アベイ・アシュテカールらが2006年に等方的・均質モデルに対して示したように、LQCの枠組みでは量子効果によって特異点が回避され、宇宙は収縮から反発へと移行します。これにより、ビッグバン以前の物理を記述することが可能になります。マーティン・ボジョワルドの研究などもこれに関連し、前の宇宙の性質の一部が不確定性原理によって決定できない可能性も示唆されています。
共形サイクリック宇宙論（CCC）: ロジャー・ペンローズが提唱したこのモデルは、宇宙が無限に膨張し、すべての物質が光に崩壊した後、時間と距離の概念がなくなる状態に至り、それが次の宇宙のビッグバンと等価になると考えます。
Einstein-Cartan理論におけるバウンス: Einstein-Cartan重力理論は、時空の「捩率（ねじれ）」を考慮に入れた一般相対性理論の拡張です。ニコデム・ポプラフスキは、この理論において、フェルミ粒子間のスピン相互作用が高密度状態で特異点を回避し、インフレーションの代替となる自然なバウンスを引き起こす可能性を示しました。
標準重力枠組みでのバウンス: 2012年には、標準的なアインシュタイン重力の枠組み内で、特異点を回避する非特異的なビッグバウンスモデルが構築されました。これは、物質の収縮と、特定の場（エキピロティック宇宙論などで提案される）のダイナミクスを組み合わせることで実現され、初期宇宙の微細なゆらぎ（CMBの起源）も説明できる可能性が示されています。

観測的な手がかりの可能性

近年発見された遠方の超巨大ブラックホールの中には、ビッグバン後短期間で形成されたとは説明しにくい巨大さを持つもの（例：ULAS J1342+0928）があります。一部の研究者は、このようなブラックホールがビッグバウンス以前の宇宙で形成され、バウンスを経て新しい宇宙に引き継がれた可能性を示唆しており、これがビッグバウンスモデルの観測的な証拠となりうるかどうかが議論されています。

ビッグバウンスは、宇宙の始まりに対する魅力的な代替案であり、インフレーション理論が抱える課題への答えとなる可能性を秘めていますが、その理論的整合性や観測的な検証可能性については、引き続き活発な研究が進められています。

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