ビッグバン理論は宇宙の始まりと進化を見事に説明しますが、いくつかの厄介な謎も残しました。その中でも特に重要なのが「地平線問題」と「平坦性問題」です。

もう一つの平坦性問題は、宇宙の幾何学に関するものです。観測によると、私たちの宇宙はほぼ「平坦」です。しかし、一般相対性理論によれば、宇宙が完全に平坦でない限り、その曲率は時間とともに増大していくはずです。宇宙が138億年経った今でもほぼ平坦であるためには、ビッグバンの直後、信じられないほど高い精度で平坦でなければなりませんでした。これはあまりにも都合が良すぎる初期条件です。

これらの問題を解決するために、物理学者アラン・グースらは1980年代初頭に「インフレーション理論」を提唱しました。これは、宇宙が誕生直後のごくわずかな時間に、指数関数的な急膨張を経験したという画期的なアイデアです。

インフレーション理論の中心には、「インフラトン」と呼ばれる仮説上のスカラー場が存在します。宇宙の誕生直後、このインフラトン場は「偽の真空」と呼ばれる高いエネルギー状態にありました。この状態のエネルギーは、時空を指数関数的に引き伸ばす巨大な斥力として働きました。

この急膨張は、宇宙が誕生してから$10^{-36}$秒後から$10^{-32}$秒後という、想像を絶するほど短い時間で起こったと考えられています。この間に、宇宙は少なくとも$10^{26}$倍、あるいはそれ以上に膨張しました。原子ほどの大きさだった領域が、一瞬にして観測可能な宇宙よりもはるかに広大な領域にまで引き伸ばされたのです。

このメカニズムが、先ほどの問題を解決します。

• 地平線問題の解決: インフレーションが始まる前、現在観測可能な宇宙全体は、因果関係で結ばれた非常に小さな領域に収まっていました。この領域は熱的に平衡状態にあり、どこも同じ温度でした。インフレーションがこの小さな領域を巨大に引き伸ばしたため、遠く離れた領域も元々は同じ場所から来たことになり、温度が均一であることも説明できます。

• 平坦性問題の解決: どんなに曲がっていた表面でも、それを極端に引き伸ばせば局所的には平らに見えます。風船を大きく膨らませると、その表面が平らに近づくのと同じです。インフレーションによる急激な膨張は、初期宇宙が持っていたかもしれないどんな曲率も「平ら」にならしてしまったのです。

インフレーションが終わると、宇宙は空っぽで極低温の状態になりました。インフラトン場が蓄えていた莫大なエネルギーはどこへ行ったのでしょうか？

ここで「再加熱」と呼ばれるプロセスが起こります。インフラトン場はそのエネルギーを解放し、振動しながら崩壊しました。この崩壊エネルギーが、クォーク、レプトン、光子といった、現在の宇宙を構成するすべての素粒子を生成したのです。このプロセスによって、空っぽだった宇宙は、超高温・超高密度の素粒子スープ、つまりビッグバンの火の玉と化しました。

さらに重要なのは、インフレーション中に生じたインフラトン場の微小な「量子ゆらぎ」です。これは、ハイゼンベルクの不確定性原理に起因する、場のエネルギーのわずかな揺らぎです。インフレーションによる急激な膨張は、このミクロな量子ゆらぎをマクロなスケールにまで引き伸ばしました。この引き伸ばされたゆらぎが、初期宇宙における物質密度のわずかなムラとなり、やがて重力によって物質が集まる「種」となって、銀河や銀河団といった大規模構造を形成したと考えられています。

宇宙の最も初期、プランク時間（約$10^{-43}$秒）以前の状態は「プランク時代」と呼ばれます。この時代は、エネルギーがあまりにも高いため、重力が他の3つの基本的な力（電磁気力、強い力、弱い力）と同程度の強さになり、一般相対性理論と量子力学が共に重要になります。しかし、この二つの理論を統合する「量子重力理論」はまだ完成していません。プランク時代は、現在の物理学の限界であり、宇宙の真の始まりを理解するための最大の謎として残されています。

インフレーション理論は、ビッグバンモデルが抱えていた根本的な問題をエレガントに解決し、現在の宇宙に見られる大規模構造の起源を説明する、現代宇宙論の重要な柱となっています。