ビッグバンの後、私たちの宇宙は指数関数的に膨張しました。宇宙インフレーションと呼ばれるこの理論によれば、爆発的な成長によって微小な量子ゆらぎが生じ、それが後に銀河へと進化しました。宇宙インフレーションは、私たちの宇宙がどのようにしてこれほど巨大になり、ほぼ均質になったかを簡潔に説明しており、だからこそ何十年にもわたって宇宙論における有力な理論であり続けているのです。
しかし、それは完璧からは程遠い。宇宙インフレーションは、かなり恣意的になりがちな特定の理論的仮定に依存しており、宇宙がなぜ今のような姿をしているのかを説明する理論としては理想的ではない。この欠点こそが、スペイン、バルセロナ大学の理論物理学者ラウル・ヒメネスが、初期宇宙のダイナミクスを解読するための代替アプローチを考案するきっかけとなった。今月初めにPhysical Review Research誌に掲載されたこの提案は、物理学者が単一の理論に合意することを困難にしてきた、従来のモデルにおける過剰な状況依存パラメータを排除することを目指している。
ヒメネス氏らが提唱するこの提案は、量子力学と一般相対性理論のよく理解された原理を主に基盤とする、比較的シンプルなパラダイムである。このパラダイムは、初期宇宙がいわゆるド・ジッター空間に存在していたという仮定から始まる。ド・ジッター空間では、宇宙は一般相対性理論に支配された平面的な真空であるとされている。量子力学によれば、この空間にエネルギー（つまりビッグバン）を加えると、量子ゆらぎが発生し、テンソルモード、すなわち重力波が生じる。これらの重力波は宇宙全体に有機的に小さな密度の粒子を撒き散らし、最終的には銀河、恒星、そして惑星へと進化したと理論は述べている。
従来のインフレーション理論を批判する人々は、調整可能なパラメータが多すぎると主張している。そのパラメータの一つが、物理学者が初期宇宙の急速な膨張を引き起こしたと信じている仮説上のスカラー場であるインフラトンである。しかし、新しい理論では、インフラトンをこの図式から排除し、重力波によって揺さぶられるド・ジッター空間に置き換えている。
新理論では多くの調整可能なパラメータが排除されている点は大きな利点だ。 「これらのパラメータを決定する一般原則は存在しないので、基本的には手作業で設定する必要があります」と、今回の研究には関わっていないピッツバーグ大学の宇宙学者アーサー・コソウスキー氏は、ギズモードへのメールで説明した。「物理学者は常に、ある意味で可能な限りシンプルなモデルや理論を作ろうと努めています。つまり、手作業で設定しなければならない任意のパラメータの数が可能な限り少なくなるということです。」
理想的な世界では、確固たる理論やモデルは、これほど多くの調整可能な変数を必要とするべきではありません。同様の問題は、あらゆるものを網羅する標準模型にも存在します。標準模型には、毎回調整しなければならない膨大な18個の自由パラメータがあります。物理学者たちは「18個ではなく、2個か3個のパラメータを持つ、より優れた、より強力なモデルがあるはずだと多くの人が確信しているため、多大な血と汗と涙（そしてお金）を費やしているのです」とコソウスキー氏は述べています。
実際、初期宇宙インフレーションに対する単純かつ説得力のある説明を見つけることが、今回の研究の動機だったと、ヒメネス氏はビデオ通話中にギズモードに語った。この理論の強みは、観測データを説明できるかできないかのどちらかという意味で「完全に反証可能」であることだと彼は述べた。しかし、これは理論の弱点でもある。ヒメネス氏もこれを認め、「もしかしたら、自然はこの理論を物事の仕組みとして選んだわけではないのかもしれない」と付け加えた。
もちろん、反証可能な理論の最も価値ある点は、何がうまくいかないのかを教えてくれることだと彼は付け加えた。（これは大まかに思えるかもしれないが、物理学者は暗黒物質のような未知の現象に対して、消去法に似た手法をしばしば用いる。）ヒメネスが新たに提唱した理論については、観測データに耐え、さらなる数学的精査に耐えられるかどうかという疑問が残る。
「この論文の根底にある全体的な哲学、つまり『基礎物理学からインフレーションが自然に生じる状況を思いつくことができるかどうか見てみよう』という哲学が気に入っています」とコソウスキー氏は述べた。「もしそれが可能であれば、推測的で、ある意味では恣意的な物理的要素を加えるよりも洗練されており、より具体的な予測が可能になる可能性も高く、その結果を観測結果と比較できるようになることを期待しています。」
「これは興味深く斬新な提案だと思います。じっくり検討する価値は十分にあります」と、ポルトガルのリスボン大学天体物理学・宇宙科学研究所（IA）の理論宇宙学者アンドリュー・リドル氏は、ギズモードとのビデオ通話で述べた。同時に、その単純さが最大の欠点にもなり得るが、数学的な思考を持つ宇宙学者がこれを気に入るかどうかは、時が経てば分かるだろう、と彼は述べた。
「インフレーション理論に違和感を抱く宇宙論者は昔から存在してきました。私もその一人で、この理論を研究しています」と、同じくIAのマリーナ・コルテス氏も同じ電話会議で述べた。「インフレーション理論で最も違和感を覚えるのは、物理学者がビッグバン以降のすべてを理解していても、ビッグバンとその初期段階を理解していないことです。」
リドル氏とコルテス氏は、いずれも今回の研究には関与していないが、宇宙論者（自身も含む）の間では宇宙インフレーション現象の解釈についてしばしば意見の相違があるものの、証拠はインフレーション現象が実際に起こったという説を裏付けているようだと述べた。多くの物理学者が代替的な説明を考案してきたが、事実上すべてが「ゴミ箱」に捨てられ、捨てられたアイデアの山に埋もれてしまったとリドル氏は説明した。
「しかし、人々の想像力には限界がない」とリドル氏は述べた。そして、今後数十年は、まさに今回のような新しいアイデアやモデルが次々と生まれるはずだと、二人の宇宙学者は考えている。
「現在の宇宙論は、主に『緊張』と呼ばれるもの、つまり標準的な宇宙論モデルと物事がうまく整合していないという兆候について論じています」とリドル氏は述べた。暗黒エネルギーやハッブル・テンションなど、物理宇宙に関する私たちの知識を覆す可能性のあるいくつかの疑問が、科学者にとって矛盾した一つのパッケージにまとまって現れつつあるように見え、インフレーションもその一部である可能性があるとコルテス氏は付け加えた。
何が起ころうとも、私たちが宇宙論にとって興奮と混沌と発見の時代を目撃していることは言うまでもありません。これはすべての科学者が同意する意見です。
「データが指数関数的に増加しているだけでなく、分析の質も指数関数的に向上しています」とヒメネス氏は述べた。「私たちは宇宙論の黄金時代を生きていると思います。」
「インフレーションについて考えるとき、私たちは宇宙がなぜ今のような姿をしているのかという問いに答えようとしています。単にその姿を説明しようとしているのではありません」とコソウスキー氏は述べた。「これは、まだ解明されていない深遠な物理原理によるものでしょうか？そうかもしれません。だからこそ、私たちは理解の限界を押し広げようと懸命に研究を続けているのです。」
