宇宙定数

宇宙定数 (うちゅうていすう)

宇宙定数とは、一般相対性理論におけるアルベルト・アインシュタインの重力場方程式に導入される特定の項の係数です。通常、ギリシャ文字のラムダ（Λ）で表され、スカラー量としての性質を持ちます。

アインシュタインの重力場方程式は、物質やエネルギーが時空をどのように歪ませるか、そしてその歪みが物質やエネルギーの運動にどう影響するかを記述する基本的な方程式です。宇宙定数を含む形では、この方程式は以下のようになります。

$R_{\mu
u} - \frac{1}{2}Rg_{\mu
u} + \Lambda g_{\mu
u} = \frac{8\pi G}{c^4}T_{\mu
u}$

この式における左辺の第3項（Λ * gμν）が「宇宙項」と呼ばれ、その係数であるΛが宇宙定数です。この宇宙項は、時空自体が持つエネルギーのような効果を持ち、Λが正（Λ > 0）であれば時空を広げようとする斥力として、負（Λ < 0）であれば時空を縮めようとする引力として作用します。現在の宇宙論では、宇宙定数はわずかに正の値を持つ斥力として考えられています。

アインシュタインは当初、宇宙定数を含まない形で重力場方程式を発表しました。しかし、宇宙全体にこの理論を適用すると、物質の重力によって宇宙が静的な状態を保てずに収縮してしまうことに気づきました。そこで、宇宙が時間変化しない静的な状態であるという当時の一般的な考えに合わせるために、宇宙の収縮を打ち消すわずかな斥力として働く宇宙項（宇宙定数）を導入したのです。

しかしその後、天文学者エドウィン・ハッブルらの観測により、宇宙が膨張していることが明らかになりました。これにより、静的な宇宙モデルを維持するために導入された宇宙定数はその必要性を失いました。アインシュタイン自身がこの宇宙定数の導入を「生涯最大の過ち」と悔やんだという逸話は広く知られていますが、この言葉の正確な出所については議論も存在します。

宇宙が静的でないことが明らかになった後、アインシュタインは宇宙定数に対して否定的な見方をするようになりました。しかし、ビッグバン理論の提唱者の一人であるジョルジュ・ルメートルは、たとえ宇宙が静的でなくても、宇宙定数が宇宙の膨張が加速していることを表現する役割を持ちうることを指摘し、宇宙定数を排除する根拠はないとアインシュタインに説明したとされています。

そして近年、遠方の超新星の観測や宇宙マイクロ波背景放射の詳細な観測結果から、現在の宇宙は加速的に膨張しているという証拠が強く示されています。この宇宙加速膨張のメカニズムを説明するためには、宇宙項あるいはそれに類する物理的な効果が必要不可欠であり、宇宙定数の存在が再び注目されるようになりました。現代宇宙論では、この宇宙の加速膨張を引き起こす未知のエネルギー成分を「ダークエネルギー」と総称しており、宇宙定数はその最も単純な候補の一つとされています。

宇宙定数の物理的な起源については、量子力学的な真空のエネルギーなどが候補として挙げられていますが、理論的に予測される真空のエネルギー密度と、観測から推定される宇宙定数の値（およそ10⁻¹²⁰倍も小さい）との間には膨大な隔たりがあり、これは現代宇宙論における最も重要な未解決問題の一つとなっています。

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