この「カメレオン理論」は、アインシュタインが説明できなかった重力に関する事柄を説明する。

アルバート・アインシュタインが重力が時空構造に織り込まれる仕組みについて初めて考えを述べた後、100年以上経った今でも、宇宙の物体の動きや振る舞いをより適切に定義するモデルは他にありません。一般相対性理論は、提案されている他のどのモデルよりも説明がスムーズなだけでなく、近年、宇宙に広がる重力波の検出や、史上初のブラックホールの画像撮影など、より優れた証拠が示されています。

しかし、一般相対性理論は完璧ではありません。宇宙で観測されるものの大部分を説明する一方で、欠陥もかなりあります。そのため、こうした知識のギャップを埋めようとする重力の代替モデルが生まれました。こうしたモデルの 1 つが f(R) 重力と呼ばれる「カメレオン理論」で、今週Nature Astronomyに発表された新しい研究によると、このモデルは、既知の宇宙で最も大きな物体のいくつかに重力がどのように影響したかを説明するのに有効なモデルである可能性があります。

「この研究は、重力の複雑な挙動にもかかわらず、代替重力理論が現実的な銀河を作ることができることを実証した初めての研究です」と、英国ダラム大学の物理学教授で新論文の共著者であるバオジュウ・リー氏は言う。「このような研究は、理論の実現可能性を確認するのに役立つだけでなく、将来の観測データを使用してさまざまな重力理論をテストできる場所を特定するのに役立ちます。」

カメレオン理論は、一般相対性理論から逸脱した重力理論のクラスを総称する用語です。標準物理学では、4 つの基本的な力 (重力、電磁気、および原子レベルで作用する強い相互作用と弱い相互作用) の存在が概説されています。しかし、カメレオン理論では、太陽系のような高密度の宇宙領域に隠れているが、低密度領域でより影響力を持つ追加の「第 5 の力」の存在を考慮しています。

「この理論は環境に依存した振る舞いをするため、『カメレオン理論』と呼ばれています」とリー氏は言う。宇宙の大部分は低密度の環境で存在しているため、この形を変える力の痕跡を発見し、カメレオン理論をテストできる可能性が高い。

f(R)重力は、いわゆるカメレオン理論の1つです。Li氏によると、この理論は1970年代初頭から一般相対性理論の代替として検討されており、宇宙の初期の誕生と現在の状態の両方を説明する重力モデルとしてさまざまな文脈で研究されてきました。

宇宙の膨張が実際に加速していることを宇宙論データで示し始めた1990年代から2000年代初頭にかけて、一般相対性理論は科学者の間で再び関心を集めた。リー氏は、一般相対性理論はダークエネルギーによるこの加速膨張を「実用的に非常にうまく」説明するが、このモデルが予測する結果と科学者が実際にデータで観察した事実との間には矛盾があると言う。そして、ダークエネルギーを実際に観測したことがないという事実は、常に一般相対性理論にとっての宇宙論上の悩みの種だった。

問題は次の点だ。重力をいじくり回すということは、基本的に宇宙の他のすべてをいじっているということだ。重力は、物質が岩石、小惑星、恒星、銀河に集まる方法、つまり文字通りすべてのものがどのように形づくられるかを決定する。f(R) 重力が妥当であれば、銀河が一連の天体ロールシャッハ テストのようではなく、渦巻きや楕円のように見える、私たちの宇宙のような宇宙が育まれるはずだ。

リー氏と彼のチームは、f(R)重力によって導かれる宇宙のスーパーコンピューターシミュレーションを実行し、「私たちの天の川銀河のような現実的な銀河は、第五の力の複雑な動作の中でも、これまで観測されてきた特性を持って形成される可能性がある」ことを発見したと、リー氏は言う。これは、重力モデルの変更により、ブラックホールが物質を飲み込む際に発生する熱量に変化が生じたにもかかわらず起こった。この変化は、銀河形成を大幅に混乱させる可能性があったが、どういうわけかそうならなかった。

この研究結果は確かに、一般相対性理論以外の何かが世界を動かしているという幻影を浮かび上がらせているが、リー氏と彼のチームは、f(R)重力が実在することを証明したり、一般相対性理論を反証したりするものではないと強調している。この研究のシミュレーションは、まさにシミュレーションにすぎない。「第5の力」は本当に存在し、宇宙で物事が形成される方法に影響を与える可能性があるが、そのような相互作用が実在することを証明する観察やデータが得られるまでは、我々は単なる理論化にすぎない。シミュレーション自体は、これまでに収集したデータに基づいて構築されており、「銀河形成は活発に進歩している研究分野であり、まだ不確実なことがあることを念頭に置く必要があります」とリー氏は言う。測定した誤った信号、データの穴、その他の不確実な変数は、簡単に欠陥のあるシミュレーションを生み出す可能性がある。そして、まだダークエネルギーを観測したことがないからといって、それがキャンセルされたわけではない。

現実世界で f(R) 重力やその他のカメレオン理論を実際にテストしない限り、一般相対性理論が廃止に値するかどうかはわかりません。そして、言うほど簡単ではありませんが、言うほど簡単ではありません。カメレオンが色を変えることは、現実世界で起こっているのを見ているのでわかっています。しかし、重力の法則の変化をどうやって見ればいいのでしょうか。このような現象はどうやって観察できるのでしょうか。この質問に対する簡単な答えはありません。

ダーラム大学の研究者たちは、2020年に観測を開始する予定のスクエア・キロメートル・アレイを使ってその作業を開始したいと考えている。この電波望遠鏡は2つの大陸にまたがる世界最大の電波望遠鏡となり、宇宙のはるか遠くまで覗き込み、ビッグバン直後に形成された星や銀河を観測できるほど強力になる。わずか数年のうちに、ダークエネルギーや一般相対性理論について、あるいはカメレオン理論が宇宙に影響を与えているかどうかについて何かを明らかにするデータが集まるかもしれない。正直なところ、アインシュタインの影響力がトカゲの一種に取って代わられるのは、それほど悪くない話に思える。