宇宙定数

宇宙定数とは、アインシュタイン方程式における付加的な項であり、計量に比例し、空虚な空間の一様なエネルギー密度として振る舞い、宇宙の加速膨張を駆動するものです。

Definition

宇宙定数（ラムダと表記される）は、アインシュタイン方程式に追加される定数項であり、真空に一様なエネルギー密度と等しい大きさの負の圧力を寄与し、最も単純な形のダークエネルギーに相当します。

Scope

本稿では、宇宙定数項の代数形式とそのエネルギー・運動量保存則との整合性、負の圧力を持つ真空エネルギーとしての解釈、静的宇宙に対するアインシュタインの当初の動機とその後の撤回、観測された宇宙の加速膨張を説明するためのその復活、そして量子場理論の推定値との途方もない不一致という宇宙定数問題を扱います。

Core questions

• なぜ定数項を保存則に違反することなくアインシュタイン方程式に追加できるのでしょうか？
• 宇宙定数はどのようにして減速膨張ではなく加速膨張を引き起こすのでしょうか？
• なぜ観測された値は量子場理論が予測する値よりもはるかに小さいのでしょうか？

Key concepts

• ラムダ項
• 真空エネルギー密度
• 負の圧力
• 加速膨張
• ダークエネルギー
• 宇宙定数問題

Key theories

真空エネルギー解釈

宇宙定数は、その密度にマイナスをかけた圧力を持つ一様な真空エネルギー密度と等価であり、宇宙の膨張を加速させる斥力的な重力効果を寄与します。

宇宙定数問題

量子場理論は、観測された微小な値よりも数十桁も大きな真空エネルギーを予測しており、この説明のつかない不一致は、重力と量子物理学を結びつける最も深い謎の一つです。

Clinical relevance

遠方の超新星、宇宙マイクロ波背景放射、および大規模構造の観測は、現在の宇宙のエネルギー収支の大部分を占める小さな正の宇宙定数と整合的です。それが真の定数であるのか、あるいは動的なダークエネルギーであるのかは、観測宇宙論の中心的な問いであります。

History

アインシュタインは1917年に静的宇宙を得るためにラムダを導入しましたが、ハッブルによる宇宙膨張の発見後にこれを放棄し、伝えられるところによれば、これを自身の最大の過ちと呼びました。しかし、1998年に超新星観測が膨張が加速していることを明らかにしたことで、この定数はダークエネルギーの主要なモデルとして決定的に復活しました。

Debates

定数か動的なダークエネルギーか

宇宙の加速が真の宇宙定数によって引き起こされているのか、それともゆっくりと進化する場（クインテッセンス）によって引き起こされているのかは、観測的には未解決の問題です。これらを区別するには、ダークエネルギー密度が宇宙時間とともにどのように変化するか（もし変化するならば）を精密に測定する必要があります。

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Sean Carroll

Seminal works

• carroll2001
• carroll2004

Frequently asked questions

宇宙定数はダークエネルギーと同じものですか？

宇宙定数は、固定された密度を持つ真空エネルギーという、ダークエネルギーの最も単純な形態です。「ダークエネルギー」は、動的なモデルも含むより広範な用語であるため、すべての宇宙定数はダークエネルギーですが、すべてのダークエネルギーが定数である必要はありません。

なぜ定数を追加することがかつては過ちと呼ばれたのですか？

アインシュタインは、当時の一般的な仮定であった静的宇宙を強制するためにそれを追加しました。もし彼が修正されていない方程式を信頼していたならば、宇宙膨張が観測される前にそれを予測できたかもしれません。そのため、彼は後にその行動を後悔しましたが、結局その項は実在することが証明されました。