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毎年6か月間、南極の氷冠の多年生で風にさらされた平原の平均気温は、華氏約58度（氷点下）です。夏には、太陽が6か月間続くと、氷河地帯はそれほど魅力的にならず、気温はマイナス20度まで上昇します。私たちのほとんどが訪れることを選ぶような場所ではありません。

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しかし、ビッグバン直後から私たちに向かって流れてきた光子のコレクションを探している天文学者なら、南極のダークセクター研究所は、メットがオペラに、ヤンキースタジアムが野球にぴったりです。それはあなたの貿易を実践する最高の場所です。地球上で最も寒くて乾燥した空気により、大気は光子を実質的に妨げずに移動させ、これまでに撮影された地上ベースの最も鮮明な宇宙画像を提供します。

ハーバード・スミソニアンの研究者であるジョン・コバックが率いる天文学者のチームは、3年間、南の空のパッチで、Bicep2（宇宙の銀河系外偏極のバックグラウンドイメージングの頭字語）として知られる勇敢な望遠鏡を指すように、要素に勇気を出しました。 3月に、チームは結果を発表しました。結論が立てば、宇宙の最も初期の瞬間に壮観な新しい窓が開かれ、過去世紀の最も重要な宇宙論的発見の中で当然ランク付けされます。

それは、私たちの起源を把握するという原始的な衝動を満足させることを目的とした初期の創造の物語にまでさかのぼることができる物語です。しかし、アルバート・アインシュタインが一般相対性理論、空間、時間、およびすべての現代宇宙論の数学的基礎を発見したことで、物語を取り上げます。

Bicep2望遠鏡の焦点面は、顕微鏡下で示されており、NASAのJet Propulsion Laboratoryによって開発されました。（アンソニーターナー/ JPL）

インフレーションによって引き伸ばされた重力波は、Bicep2によってキャプチャされた、Bモード信号と呼ばれる、かすかではあるが特徴的なパターンを生成します。（BICEP2）

膨張中（左図）、重力が外に押し出され、ほんの一瞬で宇宙が伸びました。（WMAP）

ミステリーで示されたBicep2望遠鏡は、予測された重力波パターンの最初の検出を達成しました、そのチームが発表しました。（ステフェンリヒター/ハーバード大学）

ビッグバンへのゆがんだ空間
20世紀初頭、アインシュタインは特別な相対性理論で空間と時間のルールを書き直しました。それまでは、ほとんどすべての人がニュートンの視点、つまり直観的な視点に固執していました。そこでは、空間と時間は、イベントが起こる不変の舞台を提供します。しかし、アインシュタインがそれを説明したように、1905年の春に嵐が彼の心の中で解き放たれ、ニュートンの普遍的な舞台を一掃した数学的洞察の猛烈な豪雨でした。アインシュタインは、普遍的な時間はなく、動きのある時計はよりゆっくり刻み、普遍的な空間はない、動きの定規は短いと説得力をもって主張しました。絶対的で不変のアリーナは、順応性と柔軟性のある空間と時間に取って代わりました。

この成功の直後、アインシュタインはさらに急な挑戦に変わりました。 2世紀以上にわたって、ニュートンの普遍的な重力の法則は、惑星から彗星までのあらゆるものの動きを予測するという印象的な仕事をしてきました。それでも、ニュートン自身が明言したパズルがありました。重力はどのように影響を及ぼしますか？太陽は、約9, 300万マイルの本質的に空いている空間で地球にどのように影響しますか？ニュートンは、数学の専門家が重力の影響を計算できるようにするための取扱説明書を提供していましたが、ボンネットを開けて、重力がどのように機能するかを明らかにすることはできませんでした。

答えを求めて、アインシュタインは、難解な数学と空想の創造的な飛行を通して、10年にわたる強迫観念、厳しいオデッセイに従事しました。 1915年までに、彼の天才は一般相対性理論の最終方程式を燃やし、ついに重力の根底にあるメカニズムを明らかにしました。

答え？空間と時間。特殊相対性理論、一般相対性理論の人生に完全に生まれた空間と時間によって、ニュートンの基盤から既に解き放たれた。アインシュタインは、ゆがんだ木の床が転がる大理石を動かすことができるように、空間と時間はそれ自体が反ることができることを示し、重力の影響による長い軌道に沿って地上と天体を動かす。

しかし、定式化を抽象化すると、一般相対性理論が決定的な予測を行い、そのいくつかは天文観測によってすぐに確認されました。これは、理論の詳細な意味を探求するために、世界中の数学指向の思想家に影響を与えました。これは、物理学の博士号を取得したベルギーの司祭、ジョルジュ・レマイトルの仕事であり、私たちが追っている物語を前進させました。 1927年、ルマイトルは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式を、星やブラックホールなどの宇宙内の物体ではなく、宇宙全体に適用しました。その結果、レマイトルはかかとに戻った。数学は、宇宙は静的でありえないことを示しました。空間の構造は伸縮していました。つまり、宇宙はサイズが大きくなるか縮小します。

Lemaîtreがアインシュタインに発見したことを警告したとき、アインシュタインはsc笑しました。彼は、レマイトルが数学を行き過ぎていると思った。アインシュタインが確かだったので、宇宙は全体として永遠で不変であり、反対に証明した数学的分析を却下しただけでなく、数学が彼の偏見に対応することを確実にするために彼の方程式にささやかな修正を挿入しました。

そしてそれは偏見だった。 1929年、マウントウィルソン天文台の強力な望遠鏡を使用したエドウィンハッブルの天体観測により、遠方の銀河が急いでいることが明らかになりました。宇宙は拡大しています。アインシュタインは自分の額にe曲的な平手打ちをし、自分の方程式から生じる結果を信頼しないことに対するre責を行い、彼の思考と方程式をデータと一致させました。

もちろん、大きな進歩です。しかし、新しい洞察は新しいパズルを生み出します。

Lemaîtreが指摘したように、スペースが現在拡大している場合、宇宙のフィルムを逆に巻くことにより、観測可能な宇宙はかつてないほど小さく、密度が高く、より暑かったと結論付けます。避けられないように思われる結論は、私たちが見ている宇宙は、爆発した空間の外に膨らむ驚異的に小さな斑点から出現したということです。

しかし、もし本当なら、何が空間を膨らませたのでしょうか？そして、そのような風変わりな提案をどのようにテストできますか？

インフレ理論
Lemaîtreがそれを呼んだように、宇宙が熱くて強く密集した原始原子から出現した場合、宇宙が膨張したとき、宇宙は冷めるべきだった。 1940年代にジョージワシントン大学で行われた計算、そして1960年代にプリンストンで行われた計算では、ビッグバンの残留熱が空間を均一に満たす光子（光の粒子）の浴槽として現れることが示されました。光子の温度は絶対零度よりもわずか2.7度低くなり、波長がスペクトルのマイクロ波部分に置かれます。このビッグバンの可能性のある遺物が宇宙マイクロ波背景放射と呼ばれる理由を説明しています。

1964年、ベル研究所の2人の科学者、アルノペンジアスとロバートウィルソンは、衛星通信用に設計された大きな地上アンテナに不満を感じていました。アンテナをどこに向けたかに関係なく、彼らはオーディオマニアの悪夢、絶え間ないバックグラウンドのヒスに遭遇しました。数か月間、彼らは捜し求めましたが、情報源を見つけることができませんでした。その後、PenziasとWilsonは、プリンストンで行われている宇宙計算の風を受けて、低レベルの放射線充填空間があるべきだと示唆しました。研究者は、絶え間ないヒスは、アンテナの受信機をくすぐるビッグバンの光子から生じていたことに気づきました。この発見により、ペンジアスとウィルソンは1978年にノーベル賞を受賞しました。

ビッグバン理論の重要性は急上昇し、科学者は理論をばらばらに引き離し、予期せぬ影響と潜在的な弱点を探し求めました。多くの重要な問題が明らかになりましたが、最も重要なことは
基本。

ビッグバンは、創造の現代科学理論、創世記への数学的な答えとしてしばしば説明されます。しかし、この概念は本質的な誤acyを曖昧にします。ビッグバン理論は、宇宙がどのように始まったかを教えてくれません。それは宇宙がどのように進化したかを教えてくれ、すべてが始まってからほんの一瞬で始まります。巻き戻された宇宙のフィルムが最初のフレームに近づくと、数学が崩壊し、創造イベントがスクリーンを埋めようとしているときにレンズを閉じます。それで、ビッグバン理論を説明することになると-宇宙をその拡張コースで真っ先に設定したはずの原始的なプッシュ-ビッグバン理論は沈黙しています。

そのギャップを埋めるために重要な一歩を踏み出すことは、スタンフォード大学の物理学部門の若いポスドク研究員であるアラン・グスに任せられるでしょう。 Guthと彼の共同研究者であるCornell UniversityのHenry Tyeは、モノポールと呼ばれる特定の仮想粒子が宇宙の最も初期の瞬間にどのように生成されるかを理解しようとしていました。しかし、1979年12月6日の深夜に計算すると、Guthは別の方向に作業を進めました。彼は、一般相対性理論が重力のメカニズムを提供するニュートン重力の本質的なギャップを塞いだことを方程式が示しただけでなく、重力が予期しない方法で振る舞うことができることも明らかにした。ニュートン（および日常の経験）によると、重力はある物体を別の物体に引き寄せる引力です。方程式は、アインシュタインの定式化では重力も反発する可能性があることを示していました。

太陽、地球、月などの身近な物体の重力は確かに魅力的です。しかし、数学は、物質の塊ではなく、領域を均一に埋める場で具体化されたエネルギーが、外向きに押す重力を生成することを示しました。そして猛烈にそう。インフレトン場と呼ばれる適切なエネルギー場で満たされた、直径10億分の10億分の1の領域は、強力な反発重力によってばらばらになり、観測可能な宇宙と同じくらいの大きさまで伸びる可能性があります秒の。

そして、それは当然バングと呼ばれます。ビッグバン。

Andrei Linde、Paul Steinhardt、Andreas Albrechtなどの科学者によるGuthの反発重力の最初の実装に対するその後の改良により、宇宙論のインフレーション理論が生まれました。空間の外側の膨張を引き起こしたものに対する信頼できる提案が、ついに理論家のテーブルにありました。しかし、それは正しいですか？

インフレのテスト
一見赤面しているように見えるかもしれませんが、ほぼ140億年前にほんの一瞬で表面的に動作する理論の確認を求めるのは馬鹿げているように思えるかもしれません。確かに、宇宙は現在拡大しているので、そもそも何かを設定しました。しかし、それが反発重力の強力であるが短時間の閃光によって引き起こされたことを検証することさえ考えられますか？

そうです。また、このアプローチでは、マイクロ波背景放射を再び使用します。

気分をつかむために、収縮した気球の表面に、誰でも読むには小さすぎる小さなメッセージを書くことを想像してください。次に、風船を爆破します。メッセージが伸びると、メッセージも伸びて見えるようになります。同様に、宇宙が劇的な膨張伸縮を経験した場合、宇宙の最も早い瞬間に置かれた小さな物理的な痕跡が空を横切って伸び、おそらくそれらも見えるようになります。

初期の宇宙に小さなメッセージを刻印するプロセスはありますか？量子物理学の答えは「はい」です。ハイゼンベルグは、マイクロワールドが粒子の位置や速度などの特定の特徴を同時に指定することを不可能にする不可避の「量子ジッタ」の影響を受けることを示しました。空間が十分にあるフィールドの場合、不確実性の原理は、フィールドの強度も量子ジッタの影響を受け、各位置での値が上下に揺れることを示しています。

マイクロレルムでの数十年の実験により、量子ジッターが現実的で遍在していることが確認されました。変動が非常に小さいため、日常生活で直接観察することができないため、それらは不慣れです。それは、空間の膨張的なストレッチがそれ自体で起こるところです。

膨張するバルーンに関するあなたのメッセージと同様に、もし宇宙がインフレーション理論によって提案された途方もない膨張を受けた場合、インフレトン場の小さな量子ジッターは、それが反発重力の原因となる場であることを思い出して、マクロ世界に引き伸ばされるでしょう。これにより、フィールドのエネルギーは、一部の場所では大きくタッチされ、他の場所では小さくタッチされます。

同様に、これらのエネルギーの変動は宇宙マイクロ波背景放射に影響を与え、温度が一部の場所でわずかに高く、他の場所でわずかに低くなります。数学的計算により、温度変動は小さく、100, 000分の1程度であることが明らかになりました。しかし、これが重要です。温度の変化は、空全体の特定の統計パターンを埋めます。

1990年代から、地上、気球、宇宙ベースの望遠鏡など、さらに洗練された一連の観測ベンチャーがこれらの温度変化を求めてきました。そしてそれらを見つけました。実際、理論的予測と観測データの間には息をのむような一致があります。

そしてそれで、あなたはインフレのアプローチが確認されたと思うかもしれません。しかし、コミュニティとして、物理学者はあなたが出会うだろうほど懐疑的なグループです。長年にわたって、データの代替説明を提案する人もいれば、インフレアプローチ自体にさまざまな技術的課題を提起する人もいました。インフレーションは、主要な宇宙論から遠く離れたままでしたが、多くは喫煙銃がまだ見つかっていないと感じていました。

今まで。

宇宙の構造の波紋
空間内のフィールドが量子ジッタの影響を受けるのと同様に、量子不確実性により、空間自体も量子ジッタの影響を受けやすくなります。つまり、空間は沸騰する水の鍋の表面のようにうねるはずです。これは、花崗岩のテーブルトップが表面が微視的な欠陥で埋め尽くされていても滑らかに見えるという同じ理由で不慣れです。うねりは非常に小さなスケールで発生します。しかし、もう一度、膨張膨張は量子の特徴をマクロ領域に引き伸ばすため、この理論は、小さなうねりが空間構造のはるかに長い波紋に発芽すると予測しています。これらの波紋、または原始重力波は、より適切に呼び出されるため、どのように検出するのでしょうか？ビッグバンの普遍的な遺物である宇宙マイクロ波背景放射は、3度目に切符です。

計算は、重力波が背景放射にねじれパターンを刻み込むことを示しています。これは、膨張膨張の象徴的な指紋です。（より正確には、背景放射は電磁場の振動から発生します。これらの振動の方向は、分極として知られ、重力波の後流でねじれます。）背景放射のこのような渦の検出は、長い間尊敬されてきました。インフレ理論を確立するためのゴールドスタンダード、長い間求められていた喫煙銃。

3月12日、Bicep2ミッションの北米の地上管制であるハーバードスミスソニアン天体物理学センターによって発行された「主要な発見」を約束するプレスリリースは、世界の物理学コミュニティをかき回す息切れの噂を送りました。おそらく渦巻きが見つかったのでしょうか？ 3月17日の記者会見で、噂が確認されました。 1年以上にわたるデータの慎重な分析の後、Bicep2チームは、予測された重力波パターンの最初の検出を達成したことを発表しました。

南極点で収集されたデータの微妙な渦巻きは、宇宙の量子的な揺れを証明し、インフレーション膨張によって引き伸ばされ、初期の宇宙を漂っています。

それはどういう意味ですか？
インフレ理論の主張は今や強くなり、宇宙論の激動の世紀を締めくくった。今、私たちは宇宙が膨張していることを知っているだけでなく、膨張に火をつけたものに対する信頼できる提案があるだけでなく、その激しい最初の数分の1の間に空間をくすぐった量子プロセスの痕跡を検出しています。

しかし、これらの懐疑的な物理学者の一人であり、興奮している人でも、これらの開発について考えるための何らかの文脈で締めくくることができます。

Bicep2チームは英雄的な仕事をしましたが、その結果に対する完全な信頼には独立した研究者チームによる確認が必要です。長く待つ必要はありません。 Bicep2の競合他社も、マイクロ波の渦巻きを熱望しています。これらのグループの一部は、1年以内に、おそらくそれよりも少ない期間に、調査結果を報告することがあります。

確かなことは、現在および将来のミッションが、インフレアプローチを強化する、より洗練されたデータを提供することです。インフレはパラダイムであり、独自の理論ではないことに留意してください。理論家は今、何百もの方法で反発重力の中心概念を実装しています（異なる数のインフレトンフィールド、それらのフィールド間の異なる相互作用など）。 Bicep2のデータはすでに実行可能なモデルを大幅に選別しており、今後のデータはプロセスを継続します。

これはすべて、インフレ理論にとっては並外れた時間になります。しかし、さらに大きな教訓があります。より良い測定で渦が消えるというありそうもない可能性を除けば、初期宇宙の量子過程に対する新しい観測窓ができました。 Bicep2データは、これらのプロセスが、最も強力な粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器によってプローブされたプロセスよりも1兆倍以上小さい距離スケールで発生することを示しています。数年前、研究者グループと一緒に、私は超弦理論のような極小の最先端の理論がマイクロ波背景放射の観測でどのようにテストされるかを計算する最初の試みの1つを取りました。さて、この前例のないマイクロレルムへの飛躍により、この種のより洗練された研究が、重力、量子力学、宇宙起源の理解の次の段階を予告する可能性があると想像できます。

インフレと多元宇宙
最後に、これまで慎重に避けてきた、投機的であると同時に不思議な問題に取り組みましょう。インフレ理論の考えられる副産物は、私たちの宇宙が唯一の宇宙ではないかもしれないということです。

多くのインフレーションモデルでは、インフレトンフィールドは非常に効率的であるため、ビッグバンの反発的なプッシュに燃料を供給した後でも、フィールドは別のビッグバンとまだ別のビッグバンに燃料を供給する準備ができています。それぞれのバングは独自の拡張領域を生み出し、私たちの宇宙は多くの領域のうちの1つに追いやられています。実際、これらのモデルでは、インフレーションプロセスは通常、終わりのないものであり、永遠であることが証明されているため、無限の数の宇宙が巨大な宇宙の多元宇宙に存在します。

インフレのパラダイムが蓄積している証拠があれば、多元宇宙への信頼も高まるはずだと結論付けるのは魅力的です。私はその見方に同情していますが、状況は明確ではありません。量子ゆらぎは、与えられた宇宙内で変動をもたらすだけでなく、私たちが議論したマイクロ波背景変動の代表例であり、宇宙間の変動も伴います。そして、これらの変動は大きくなる可能性があります。理論のいくつかの化身では、他の宇宙は、それらが含む粒子の種類と作用している力でさえ異なるかもしれません。

現実に対するこの非常に広範にわたる視点での課題は、インフレ理論が実際に予測することを明確にすることです。この宇宙で、ここで見ているものをどのように説明しますか？私たちの生命は他のほとんどの宇宙のさまざまな環境に存在することはできなかったと推論する必要があります。それが私たちがここで自分自身を見つける理由です。懸念は、インフレの永遠のバージョンがそれぞれ異なる特徴を持つ非常に多くの宇宙を生み出しているため、理論はインフレそのものに自信を持っているという私たちのまさに理由を弱める能力を持っているということです。
物理学者はこれらの小穴と格闘し続けています。多くは、これらがインフレに対する技術的な課題であり、やがて解決されると確信しています。私は同意する傾向があります。インフレの説明パッケージは非常に注目に値するものであり、その最も自然な予測は観測と非常に見事に一致しているので、間違いなくすべてがあまりにも美しいように見えます。しかし、多元宇宙によって提起された微妙さが解決されるまで、最終判断を保留するのが賢明です。

インフレが正しければ、理論を開発した先見の明のある人とその予測を確認した先駆者は、ノーベル賞に値する。それでも、物語はさらに大きくなるでしょう。この規模の成果は個人を超越します。集団の創造性と洞察力が、宇宙で最も深く保持されている秘密のいくつかを明らかにしたことを、私たち全員が誇りに思って驚かせる瞬間です。