宇宙定数と真空エネルギー

ダークエネルギーの最も単純な形態は、空っぽの空間の一定のエネルギー、すなわちアインシュタインの宇宙定数ですが、その観測値は理論が予測する値よりも途方もなく小さいです。

Definition

宇宙定数とは、アインシュタインの場の方程式における定数項であり、負の圧力を持つ真空の一様なエネルギー密度に対応します。ダークエネルギーと同一視され、加速膨張を引き起こしますが、その観測された大きさは、素朴な理論的期待値よりも何桁も小さいです。

Scope

このトピックでは、アインシュタイン方程式における項としての宇宙定数、および負の圧力を持つ一定の成分がどのように加速を駆動するかという真空のエネルギー密度としてのその解釈、そして観測値と量子場理論の推定値との間の途方もない不一致によって提起される宇宙定数問題を扱います。

Core questions

• 宇宙定数とは何ですか、またそれは真空エネルギーとどのように関連していますか？
• なぜ一定の真空エネルギーは加速を引き起こすのですか？
• なぜ宇宙定数問題はそれほど深刻なのですか？

Key concepts

• 宇宙定数
• 真空エネルギー
• 負の圧力
• 状態方程式 w イコール マイナス 1
• 宇宙定数問題
• 人間原理
• ラムダ-CDM

Key theories

ラムダとしての真空エネルギー

量子場理論は、真空がエネルギーを帯びており、それが負の圧力を持つ宇宙定数のように重力的に作用すると予測しており、一般相対性理論におけるダークエネルギーの自然な候補を提供します。

宇宙定数問題

素粒子物理学からの真空エネルギーの推定値は、観測されたダークエネルギー密度を数十桁も上回っており、この不一致は重力と量子論を結びつける最も深く未解決な問題の一つです。

Mechanisms

宇宙定数は、宇宙が膨張しても希釈されないエネルギー密度に対応します。その圧力がエネルギー密度のマイナスに等しいため、それが支配的になると第二フリードマン方程式は加速膨張を示し、一方、量子場の零点エネルギーを合計すると、観測値よりもはるかに大きな値が得られます。

Clinical relevance

宇宙定数は標準的なLambda-CDMモデルの基礎であり、現在のすべてのデータに適合しますが、その値の未解明な小ささは、宇宙論、素粒子物理学、量子重力の交差点に位置しており、超対称性からマルチバースに至るまで、さまざまなアイデアを動機づけています。

History

アインシュタインは1917年にこの定数を導入し、後にそれを後悔しました。膨張の発見後、それはほとんど顧みられなくなりましたが、ゼルダヴィッチは1960年代にそれを真空エネルギーと結びつけ、ワインバーグは1989年にこの問題を明確にし、1998年の加速発見により、小さな正の値が再び中心的な位置を占めるようになりました。

Debates

なぜラムダは非常に小さいがゼロではないのか？

宇宙定数の微小で非ゼロな値を説明することは、未知の相殺メカニズムからマルチバースにおける人間原理的選択に至るまで、さまざまな提案を促してきましたが、いずれも確立されておらず、問題は未解決のままです。

Key figures

• Albert Einstein
• Steven Weinberg
• Yakov Zeldovich
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• weinberg1989

Frequently asked questions

宇宙定数はダークエネルギーと同じですか？

宇宙定数はダークエネルギーの最も単純な形態であり、一定の真空エネルギーです。ダークエネルギーは、動的な代替案も含むより広範な用語であるため、宇宙定数はダークエネルギーの特定の、現在支持されているモデルの一つです。

なぜ宇宙定数問題は物理学における最悪の予測と呼ばれるのですか？

なぜなら、真空エネルギーの素朴な量子場理論の推定値は、観測値をおよそ120桁も上回っており、理論と観測の間に前例のない不一致があり、まだ受け入れられたメカニズムでは解決されていないからです。