プランク時代とは：宇宙始原・プランク単位と量子重力の解説

プランク時代の謎をわかりやすく解説。プランク単位・量子重力・宇宙始原の理論と最新知見を初心者にも理解できる図解で紹介。

プランクエポック（プランク時代）は、宇宙の歴史で最も初期の段階を指し、時間尺度でいうとプランク時間 t_P に相当する時刻まで、すなわち約5.4×10⁻⁴4秒（概数）より前の領域を指します。この時代は、古典的な一般相対性理論が示すような「時間ゼロの特異点」を越え、場の量子効果が支配的になるため、現在の物理学で直接計算できない領域と考えられています。

プランクエポックでは、宇宙の温度やエネルギー密度はプランク単位のオーダーに達しており、素粒子や場の通常の記述が成り立たない極端な状態でした。素朴に言えば、空間や時間そのものの量子的揺らぎが無視できないほど大きく、通常の「粒子」や「場」という概念が意味を失いかねない状況です。

プランク単位とは

• プランク時間 t_P = √(ħG/c⁵) ≈ 5.4×10⁻⁴4秒
• プランク長さ ℓ_P = √(ħG/c³) ≈ 1.6×10⁻³⁵メートル
• プランク質量 m_P = √(ħc/G) ≈ 2.2×10⁻⁸キログラム（約1.22×10¹⁹ GeV/c²）
• プランク温度 T_P = m_P c² / k_B ≈ 1.4×10³²ケルビン

これらの単位は、光速 c、万有引力定数 G、プランク定数 ħ（および温度の定義ではボルツマン定数 k_B）という基本定数から作られ、重力と量子論を同時に扱う自然なスケールを示します。

なぜ「既存の理論が使えない」のか

伝統的なビッグバンの古典的な計算（一般相対性理論に基づく）は、時刻を遡ると無限密度・無限曲率の特異点に達することを示しますが、これは量子効果を無視した近似です。プランクスケールでは、空間・時間自体の量子的揺らぎや微小スケールでの重力の量子性が重要になり、古典的な場の理論（一般相対性理論）は破綻します。そのため、重力の量子論、いわゆる量子重力理論が必要だと考えられています。

力の統一とその後の宇宙の発展

プランクエポックの極めて高いエネルギーでは、現在我々が知る4つの基本的な力（重力、電磁力、強い力、弱い力）が一つの統一された相にあった可能性が指摘されます。時刻が進むにつれて宇宙が膨張・冷却すると、対称性の自発的破れなどにより力が段階的に分離していったと考えられます。一般的な流れのモデル例は次のとおりです（理論モデルや時刻の値は仮定に依存します）：

• プランクエポック（t < t_P）：量子重力効果支配
• 大統一（GUT）エポック：重力が分離し残りの力が統一または部分的に統一（存在するならば）
• 電弱対称性の破れ：電磁力と弱い力が分離（より後の時刻）

理論と観測の状況

プランク時代そのものを直接観測する手段は現在存在しません。私たちが得られる手がかりは、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）、大規模構造、原始重力波の痕跡など、より後の時代に残された間接的なサインに限られます。一方で、理論的には弦理論やループ量子重力など複数の候補が提案されていますが、どれが正しいかについてはまだ合意がありません。

要点のまとめ

• プランクエポックは約プランク時間（≲10⁻⁴4秒）より前の極初期宇宙を指し、量子重力効果が支配的な領域である。
• プランク単位（長さ、時間、質量、温度）は重力と量子の両方を含む自然なスケールを与える。
• 既存の古典的理論（一般相対性理論）はこの領域で破綻するため、新たな量子重力理論が必要となる。
• 直接観測は困難で、理論の発展と間接的な観測の積み重ねが今後の鍵となる。

質問と回答

Q: プランク・エポックとは何ですか?

Q: プランクスケールとは何ですか?

Q: プランク時代の物理量にはどのようなものがありますか?

Q: プランク時代、宇宙はどのような状態でしたか?

Q:従来のビッグバン宇宙論が予測したプランク・エポックとは何ですか?

Q: プランク時代に宇宙論や物理学を支配したものは何ですか?

Q:プランク・エポックの後はどうなったのですか?

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