英語で読む日経サイエンス
SCIENTIFIC AMERICAN February 2021
Cosmic Conundrum
真空エネルギーと暗黒エネルギーは折り合えるか
| By Clara Moskowitz | C. モスコウィッツ |
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| In every bit of nothing, there is something. If you zoom in on empty space and take out all the planets and stars and galaxies, you might expect a pure vacuum, but you’d be wrong. Instead you would find a dynamic scene, with particles sparking to life and disappearing almost immediately. | 何もないところにも何かがある。惑星や恒星さらには銀河など全てを空間から取り去ったら純粋な真空になると思うかもしれないが，それは間違いだ。そこで目にするのは，至るところで粒子の生成・消滅が間断なく起きているダイナミックな光景だ。 | |
| Quantum mechanics, the theory governing the infinitesimal world, doesn’t allow for nothingness. At any given moment in time and space, energy can never be perfectly zero—there is always some wiggle room. Out of that wiggle room, “virtual” particles can arise—specifically, a pair made of a particle and its antiparticle, which annihilate each other and are gone as quickly as they came. As bizarre as this may seem, experiments have observed the real-world effects of virtual particles. When particle accelerators first measured the mass of the Z boson, it was slightly off from its pure mass because it was sometimes turning into a virtual top quark—one of many observations proving that virtual particles exist. | 極微の世界をつかさどる量子力学は虚無を許さない。時空のいずれの瞬間においてもエネルギーは完全にゼロにはならず，常にある程度の揺らぎ成分が見られる。そのエネルギーによって仮想的な粒子が生み出される。具体的には粒子とその反粒子のペアが生成され，次の瞬間には両者が反応して消え去ってしまう。
奇妙な話に思われるかもしれないが，仮想粒子が現実世界に及ぼす効果は実験で確認されている。Z粒子という素粒子の質量が加速器実験で最初に調べられた際，測定値は時に真の値からずれることがあったが，それはトップクォークとその反粒子のペアの生成・消滅によって生じたものだ。これ以外にも数多くの実験で仮想粒子の存在が確証されている。 | |
| The effect of all these particles wiggling into and out of being is a thrumming “vacuum energy” that fills the cosmos and pushes outward on space itself. This activity is the most likely explanation for dark energy—the reason the universe, rather than staying static or even expanding at a steady rate, is accelerating outward faster and faster every moment. | この仮想粒子の絶え間ない生成・消滅による効果で生じるのが「真空エネルギー」だ。それは宇宙に満ち，空間を押し広げる原動力となっている。宇宙は定常状態でも等速度での膨張でもなく，加速膨張しており，それは「暗黒エネルギー」によってもたらされている。その正体は真空エネルギーであるとの説が最有力視されている。 | |
| The problem with vacuum energy is that there’s not enough of it. When scientists first started thinking about the concept, they calculated that this energy should be huge—it should have expanded the universe so forcefully and quickly that no stars and galaxies ever formed. Because that is clearly not the case, the vacuum energy in the universe must be very small—about 120 orders of magnitude smaller than what quantum theory predicts. That’s like saying that something weighing five pounds should really weigh five-with-120-extra-zeros-after-it pounds. The discrepancy has prompted some scientists to call vacuum energy “the worst theoretical prediction in the history of physics.” | ただ問題がある。暗黒エネルギーは，真空エネルギーであるにしては量が不十分なのだ。真空エネルギーの概念が最初に検討された当時，その量を試算した結果は膨大になった。宇宙は星や銀河ができる間もなく，猛烈なペースで膨張することになる。これは明らかに事実に反する。現実の真空エネルギーはそれよりはるかに小さく，量子論の理論予想よりも120桁ほど小さくなければならない。これは重さ5kgのものが実は0.000…5kgとゼロが120個続いた後に5がくる極小の重さであるようなものだ。この途方もない乖離から，真空エネルギーの仮説は「物理学史上最悪の理論予想」ともいわれる。 | |
| Vacuum energy is thought to be the main ingredient in the “cosmological constant,” a mathematical term in the equations of general relativity. The enormous discrepancy between the predicted amount of vacuum energy and the measured amount is often called the cosmological constant problem. “It’s generally regarded as one of the most awkward, embarrassing, difficult problems in theoretical physics today,” says Antonio Padilla, a physicist at the University of Nottingham in England, who has spent 15 years trying to figure it out. “It suggests there’s something missing in our story. I find it exciting—why would you not want to work on that?” | 真空エネルギーは一般相対論の方程式の中の宇宙定数（宇宙項）の主要な要素だとみられている。そのことから真空エネルギーの理論予想値と実測値との途方もない乖離はしばしば宇宙定数問題と呼ばれる。「現代の理論物理学において最も厄介で当惑させる困難な問題のひとつとされている」と，この問題に15年間取り組んでいる英ノッティンガム大学の物理学者パディーヤ（Antonio Padilla）は話す。「私たちのシナリオに何かが欠けているようだ。とてもエキサイティングで挑戦しがいのある問題だ」。 |