『宇宙の終わりに何が起こるのか 最新理論が予言する「5つの終末シナリオ」』（ケイティ・マック：著、吉田三知世：翻訳） [読書（サイエンス）]
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私たちが手にした最善の観測データと矛盾しない宇宙終焉シナリオは、ほんの数種類しかない。現在進行中の観測の結果が出れば、そのうちのどれかが確証され、どれかが排除されるだろう。現時点でありうると考えられているこれらのシナリオを詳しく見ていけば、最先端の科学がどのように展開しているかを垣間見ることができるし、人類を新しい文脈のなかで捉えなおすこともできる。（中略）本書で私は、宇宙について私たちが現時点でもっている不完全な知識をちょっといじるだけで、未来への道は、「収縮して消え失せる宇宙」から「自らをズタズタに引き裂いて散り去る宇宙」、そして、「逃れることのできない死の泡に徐々に呑み込まれて滅びる宇宙」まで、大きく異なってくることをお話しする。
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最終的に宇宙はどのようにして終わるのか。熱的死、ビッグクランチ、ビッグリップ、ビッグバウンス、そして真空崩壊。理論的に予想されている宇宙終焉シナリオのバリエーションについて詳しく紹介しつつ、宇宙論の最先端について分かりやすく解説してくれる一冊。単行本（講談社ブルーバックス新書）出版は2022年11月です。
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ついに宇宙論的終末論は、一つの学問分野にふさわしい敬意を払われるようになった――とは、私には言い切れない。宇宙の最終的な運命について、その起源に対するのと同じ厳しさと深さで研究した論文は、いまなおかなり稀である。
しかし、時の流れの両端に関する研究は、物理理論の本質を検討するうえで役に立つ（起源と終焉で、役立ち方は違うけれど）。それらの研究は、宇宙の過去、もしくは未来に対して洞察を提供してくれるかもしれないのみならず、実在そのものの根本的な性質を理解する手助けをしてくれるからだ。
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目次
第１章 宇宙について大まかに
第２章 ビッグバンから現在まで
第３章 ビッグクランチ 終末シナリオその１―急激な収縮を起こし、つぶれて終わる
第４章 熱的死 終末シナリオその２―膨張の末に、あらゆる活動が停止する
第５章 ビッグリップ 終末シナリオ その３―ファントムエネルギーによって急膨張し、ズタズタに引き裂かれる
第６章 真空崩壊 終末シナリオ その４―「真空の泡」に包まれて完全消滅する突然死
第７章 ビッグバウンス 終末シナリオ その５―「特異点」で跳ね返り、収縮と膨張を何度も繰り返す
第８章 未来の未来
第９章 エピローグ
第１章 宇宙について大まかに
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五つのシナリオは、それぞれまったく異なるかたちの終末を見せる。その理由は、それぞれが異なる物理的プロセスに支配されるからだが、どれもある一つの点では一致している。――「終末は必ずくる」という点だ。
たくさんの文献を読んできたが、現在の宇宙論関連の文献で、宇宙は変化することなく永遠に存続すると真剣に示唆するものに出会ったことはない。
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まず本書で扱う五つの宇宙終焉シナリオについて概説し、それぞれの特徴を見てゆきます。
第２章 ビッグバンから現在まで
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特異点はあったのかもしれない。あったとしたら、その直後には、プランク時代と呼ばれる、それについてはほとんど何もいえない時期が訪れたはずだ。以上。
正直にいって、初期宇宙のタイムライン全体がいまなお、ほとんど既知の知識の外挿による推測の域を出ていない。そして、私は躊躇なく認めるが、その外挿は手放しで信頼すべきではない。
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終わりについて考える前に、まず始まりについて考えてみよう。宇宙はどのようにして始まったのか。最新バージョンのビッグバン理論とインフレーション理論を概説します。
第３章 ビッグクランチ 終末シナリオその１―急激な収縮を起こし、つぶれて終わる
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活動銀河核では、超大質量ブラックホールから高エネルギー粒子とガンマ線が猛烈な勢いで放射されて、数千光年の長さに及ぶ放射ジェットを形成しているが、そのレベルの強度の放射が宇宙全体に満ちるのだ。
このような環境にある物質が、構成要素である粒子にまで分解されてしまったあとに、どういうことになるのかははっきりしない。収縮する宇宙は、最終段階においては、実験室で実現したり既知の素粒子物理学で記述したりできるレベルを超えた密度と温度に達するだろう。
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もしも「宇宙膨張を加速させている力」が予想外に弱く、最終的に重力を振り切ることが出来ないとすると、宇宙は未来のある時点で収縮に転じるだろう。すべての質量とエネルギーが一点に向けて「落ちて」くる。これが「ビッグクランチ」と呼ばれる終焉シナリオだ。
第４章 熱的死 終末シナリオその２―膨張の末に、あらゆる活動が停止する
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宇宙定数のかたちをしたダークエネルギーに支配された宇宙の遠い未来は、暗黒、孤立、空虚、そして崩壊の未来である。だが、このゆっくりとした消滅は、究極の結末である「熱的死」の始まりにすぎない。（中略）永遠にわたる真の熱的死である最大エントロピーに達する時間尺度は陽子の崩壊時間に依存するが、陽子のこの属性はまだ確定していない。とはいえ、私たちを含むすべての思考する構造が、記憶の可能性を断たれるまでには、まだ10の1000乗年という十分な長さの時間が残されている。
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もしもダークエネルギーが宇宙定数で表されるなら、宇宙はどんどん膨張を続け、やがて他の銀河はすべて観測可能な宇宙の外に離れてゆき、私たちの銀河は孤立する。増大し続けるエントロピーのまえに長い長い時間をかけてあらゆる構造は崩れてゆき、最終的には何もかもが静かに消え失せて、何も変化しなくなる。これが宇宙の「熱的死」シナリオである。
第５章 ビッグリップ 終末シナリオ その３―ファントムエネルギーによって急膨張し、ズタズタに引き裂かれる
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ダークエネルギーの正体が何であると判明するかによっては、想像したよりもずっと早く、ダークエネルギーが不可避的に、宇宙を激しく破壊してしまう可能性も生じうる。（中略）逃れられない破壊であるのみならず、実在の構造そのものをズタズタにする破壊であり、宇宙に存在し、思考するすべての生き物は、自分たちの宇宙がわが身の周囲で引き裂かれていくのを、なすすべもなく見守るしかないだろう。
この不気味な可能性は、突拍子もない奇説などではない。じつのところ、私たちが手にしている最善の宇宙論的データが、これを排除できないのみならず、いくつかの観点からすると、これをやや優勢とするのである。
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もしも宇宙膨張を加速させているダークエネルギーが定数（いわゆる宇宙定数）ではなくそれ自体が時間と共に増大しているとすると、いずれは加速膨張の力は宇宙に存在するあらゆるものが互いに近づこう集まろうとする力を凌駕し、素粒子レベルからすべてを引き裂いてゆくだろう。宇宙が自らを引き裂いて爆散する終焉シナリオが「ビッグリップ」だ。
第６章 真空崩壊 終末シナリオその４―「真空の泡」に包まれて完全消滅する突然死
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ここまでに見てきた他の宇宙終焉シナリオでは、それが起こるのは遠い未来のことなので、人類が滅亡したあとに宇宙に生息しているであろう存在に憂慮してもらうに任せればいいと大いに確信できるという、小さな慰めを少なくとも提供してくれた。だが、真空崩壊は、理屈の上では、たとえ確率は天文学的に低いとしても「いつでも起こる可能性がある」という点で特殊である。それはまた、一種独特の極端さで決定的で、ほとんど不当なほどだ。
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私たちの宇宙における真空、つまりヒッグス場は、最もポテンシャルエネルギーが低い安定状態である「真の真空」ではなく、準安定状態に過ぎない「偽の真空」であることが示唆されている。もし宇宙のどこかで一瞬でも「真の真空」が生じたら、周囲のヒッグス場はポテンシャルエネルギーがより低い安定状態へと次々と相転移してゆき、「真の真空」の泡は光のスピードで拡大してゆく。泡の中ではあらゆる物理定数や物理法則が組み換えられ、私たちの知るような物質は存在しえないだろう。抵抗どころか観察することも出来ないまま、膨れ上がる「真の真空」の泡にすべてが飲み込まれて消滅する。この不気味なシナリオは「真空崩壊」と呼ばれている。不気味というのは、それが遠い遠い未来に起きるとは限らず、理論的にはいつ起きても（またはすでに起きていて泡の境界面が光速で私たちに近づいているのだとしても）おかしくないという点にある。
第７章 ビッグバウンス 終末シナリオ その５―「特異点」で跳ね返り、収縮と膨張を何度も繰り返す
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「ブレーンワールド」どうしの衝突によって超高温のビッグバンが生じるエキピロティック宇宙は、永遠に続く宇宙的拍手であり、「パンっ！」のたびに激変が繰り返されるのである。「ブレーンワールド」という言葉は、私たちの観測可能な宇宙が、さらに高次元の空間に埋め込まれた三次元ブレーンの中に存在しているとする宇宙モデルを指す。（中略）私たちがほんとうに「ブレーンワールド」に住んでいるのか、そして、より高次元のバルクとやらに他のブレーンたちが存在しているのか、という疑問はまだ解決していない。しかしもう少し広い概念としての「サイクリック宇宙」という考え方は、なかなか魅力的だ。というのも、それは、インフレーション理論と同じぐらい成功する可能性がわずかながらある、ごく少数の合理的な代替理論候補の一つなのだから。
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私たちの宇宙が高次元空間のなかに埋め込まれたブレーン（膜）であり、他のブレーンと衝突する度にビッグバンを経験しているというブレーンワールド宇宙モデルが正しければ、宇宙は永遠にバウンスしてはビッグバンを繰り返し続けるということになる。この終焉シナリオが「ビッグバウンス」である。
第８章 未来の未来
第９章 エピローグ
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宇宙論と素粒子物理学は現在、ちょっと体裁の悪い状況にある。ある意味ではどちらも、自らの成功の犠牲者だ。どちらの分野でも、きわめて正確で総合的な世界の記述法があり、それに矛盾するものは何も発見されていないという意味で、その記述法はきわめて良好に機能している。問題なのは、それがなぜうまくいくのかに関して、私たちがまったく理解していないことだ。（中略）
物理学者として、自分の研究テーマについては、私はつねにあるレベルの冷静さを保つように努力しているが、時空は、それが何か私たちが話題にできて、座ることができるものだという意味においてのみ実在であって、宇宙が実際にそれでできているという意味では実在ではないと思うと、それはいまにも足元で崩壊するかもしれないという感覚に、やはり襲われてしまうのだ。
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現在の宇宙論と素粒子物理学はどちらも基本モデルを確立し、あらゆる観測結果を矛盾なく説明できる段階に到達している。まさにそれが故にダークマターやダークエネルギーを理論に取り込む糸口が見つからないという悩みを抱えながら、宇宙の始源から終焉まですべてを明らかにしようとする科学者たちの挑戦は続く。おそらくは宇宙の終焉まで。
私たちが手にした最善の観測データと矛盾しない宇宙終焉シナリオは、ほんの数種類しかない。現在進行中の観測の結果が出れば、そのうちのどれかが確証され、どれかが排除されるだろう。現時点でありうると考えられているこれらのシナリオを詳しく見ていけば、最先端の科学がどのように展開しているかを垣間見ることができるし、人類を新しい文脈のなかで捉えなおすこともできる。（中略）本書で私は、宇宙について私たちが現時点でもっている不完全な知識をちょっといじるだけで、未来への道は、「収縮して消え失せる宇宙」から「自らをズタズタに引き裂いて散り去る宇宙」、そして、「逃れることのできない死の泡に徐々に呑み込まれて滅びる宇宙」まで、大きく異なってくることをお話しする。
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最終的に宇宙はどのようにして終わるのか。熱的死、ビッグクランチ、ビッグリップ、ビッグバウンス、そして真空崩壊。理論的に予想されている宇宙終焉シナリオのバリエーションについて詳しく紹介しつつ、宇宙論の最先端について分かりやすく解説してくれる一冊。単行本（講談社ブルーバックス新書）出版は2022年11月です。
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ついに宇宙論的終末論は、一つの学問分野にふさわしい敬意を払われるようになった――とは、私には言い切れない。宇宙の最終的な運命について、その起源に対するのと同じ厳しさと深さで研究した論文は、いまなおかなり稀である。
しかし、時の流れの両端に関する研究は、物理理論の本質を検討するうえで役に立つ（起源と終焉で、役立ち方は違うけれど）。それらの研究は、宇宙の過去、もしくは未来に対して洞察を提供してくれるかもしれないのみならず、実在そのものの根本的な性質を理解する手助けをしてくれるからだ。
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目次
第１章 宇宙について大まかに
第２章 ビッグバンから現在まで
第３章 ビッグクランチ 終末シナリオその１―急激な収縮を起こし、つぶれて終わる
第４章 熱的死 終末シナリオその２―膨張の末に、あらゆる活動が停止する
第５章 ビッグリップ 終末シナリオ その３―ファントムエネルギーによって急膨張し、ズタズタに引き裂かれる
第６章 真空崩壊 終末シナリオ その４―「真空の泡」に包まれて完全消滅する突然死
第７章 ビッグバウンス 終末シナリオ その５―「特異点」で跳ね返り、収縮と膨張を何度も繰り返す
第８章 未来の未来
第９章 エピローグ
第１章 宇宙について大まかに
――――
五つのシナリオは、それぞれまったく異なるかたちの終末を見せる。その理由は、それぞれが異なる物理的プロセスに支配されるからだが、どれもある一つの点では一致している。――「終末は必ずくる」という点だ。
たくさんの文献を読んできたが、現在の宇宙論関連の文献で、宇宙は変化することなく永遠に存続すると真剣に示唆するものに出会ったことはない。
――――
まず本書で扱う五つの宇宙終焉シナリオについて概説し、それぞれの特徴を見てゆきます。
第２章 ビッグバンから現在まで
――――
特異点はあったのかもしれない。あったとしたら、その直後には、プランク時代と呼ばれる、それについてはほとんど何もいえない時期が訪れたはずだ。以上。
正直にいって、初期宇宙のタイムライン全体がいまなお、ほとんど既知の知識の外挿による推測の域を出ていない。そして、私は躊躇なく認めるが、その外挿は手放しで信頼すべきではない。
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終わりについて考える前に、まず始まりについて考えてみよう。宇宙はどのようにして始まったのか。最新バージョンのビッグバン理論とインフレーション理論を概説します。
第３章 ビッグクランチ 終末シナリオその１―急激な収縮を起こし、つぶれて終わる
――――
活動銀河核では、超大質量ブラックホールから高エネルギー粒子とガンマ線が猛烈な勢いで放射されて、数千光年の長さに及ぶ放射ジェットを形成しているが、そのレベルの強度の放射が宇宙全体に満ちるのだ。
このような環境にある物質が、構成要素である粒子にまで分解されてしまったあとに、どういうことになるのかははっきりしない。収縮する宇宙は、最終段階においては、実験室で実現したり既知の素粒子物理学で記述したりできるレベルを超えた密度と温度に達するだろう。
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もしも「宇宙膨張を加速させている力」が予想外に弱く、最終的に重力を振り切ることが出来ないとすると、宇宙は未来のある時点で収縮に転じるだろう。すべての質量とエネルギーが一点に向けて「落ちて」くる。これが「ビッグクランチ」と呼ばれる終焉シナリオだ。
第４章 熱的死 終末シナリオその２―膨張の末に、あらゆる活動が停止する
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宇宙定数のかたちをしたダークエネルギーに支配された宇宙の遠い未来は、暗黒、孤立、空虚、そして崩壊の未来である。だが、このゆっくりとした消滅は、究極の結末である「熱的死」の始まりにすぎない。（中略）永遠にわたる真の熱的死である最大エントロピーに達する時間尺度は陽子の崩壊時間に依存するが、陽子のこの属性はまだ確定していない。とはいえ、私たちを含むすべての思考する構造が、記憶の可能性を断たれるまでには、まだ10の1000乗年という十分な長さの時間が残されている。
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もしもダークエネルギーが宇宙定数で表されるなら、宇宙はどんどん膨張を続け、やがて他の銀河はすべて観測可能な宇宙の外に離れてゆき、私たちの銀河は孤立する。増大し続けるエントロピーのまえに長い長い時間をかけてあらゆる構造は崩れてゆき、最終的には何もかもが静かに消え失せて、何も変化しなくなる。これが宇宙の「熱的死」シナリオである。
第５章 ビッグリップ 終末シナリオ その３―ファントムエネルギーによって急膨張し、ズタズタに引き裂かれる
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ダークエネルギーの正体が何であると判明するかによっては、想像したよりもずっと早く、ダークエネルギーが不可避的に、宇宙を激しく破壊してしまう可能性も生じうる。（中略）逃れられない破壊であるのみならず、実在の構造そのものをズタズタにする破壊であり、宇宙に存在し、思考するすべての生き物は、自分たちの宇宙がわが身の周囲で引き裂かれていくのを、なすすべもなく見守るしかないだろう。
この不気味な可能性は、突拍子もない奇説などではない。じつのところ、私たちが手にしている最善の宇宙論的データが、これを排除できないのみならず、いくつかの観点からすると、これをやや優勢とするのである。
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もしも宇宙膨張を加速させているダークエネルギーが定数（いわゆる宇宙定数）ではなくそれ自体が時間と共に増大しているとすると、いずれは加速膨張の力は宇宙に存在するあらゆるものが互いに近づこう集まろうとする力を凌駕し、素粒子レベルからすべてを引き裂いてゆくだろう。宇宙が自らを引き裂いて爆散する終焉シナリオが「ビッグリップ」だ。
第６章 真空崩壊 終末シナリオその４―「真空の泡」に包まれて完全消滅する突然死
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ここまでに見てきた他の宇宙終焉シナリオでは、それが起こるのは遠い未来のことなので、人類が滅亡したあとに宇宙に生息しているであろう存在に憂慮してもらうに任せればいいと大いに確信できるという、小さな慰めを少なくとも提供してくれた。だが、真空崩壊は、理屈の上では、たとえ確率は天文学的に低いとしても「いつでも起こる可能性がある」という点で特殊である。それはまた、一種独特の極端さで決定的で、ほとんど不当なほどだ。
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私たちの宇宙における真空、つまりヒッグス場は、最もポテンシャルエネルギーが低い安定状態である「真の真空」ではなく、準安定状態に過ぎない「偽の真空」であることが示唆されている。もし宇宙のどこかで一瞬でも「真の真空」が生じたら、周囲のヒッグス場はポテンシャルエネルギーがより低い安定状態へと次々と相転移してゆき、「真の真空」の泡は光のスピードで拡大してゆく。泡の中ではあらゆる物理定数や物理法則が組み換えられ、私たちの知るような物質は存在しえないだろう。抵抗どころか観察することも出来ないまま、膨れ上がる「真の真空」の泡にすべてが飲み込まれて消滅する。この不気味なシナリオは「真空崩壊」と呼ばれている。不気味というのは、それが遠い遠い未来に起きるとは限らず、理論的にはいつ起きても（またはすでに起きていて泡の境界面が光速で私たちに近づいているのだとしても）おかしくないという点にある。
第７章 ビッグバウンス 終末シナリオ その５―「特異点」で跳ね返り、収縮と膨張を何度も繰り返す
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「ブレーンワールド」どうしの衝突によって超高温のビッグバンが生じるエキピロティック宇宙は、永遠に続く宇宙的拍手であり、「パンっ！」のたびに激変が繰り返されるのである。「ブレーンワールド」という言葉は、私たちの観測可能な宇宙が、さらに高次元の空間に埋め込まれた三次元ブレーンの中に存在しているとする宇宙モデルを指す。（中略）私たちがほんとうに「ブレーンワールド」に住んでいるのか、そして、より高次元のバルクとやらに他のブレーンたちが存在しているのか、という疑問はまだ解決していない。しかしもう少し広い概念としての「サイクリック宇宙」という考え方は、なかなか魅力的だ。というのも、それは、インフレーション理論と同じぐらい成功する可能性がわずかながらある、ごく少数の合理的な代替理論候補の一つなのだから。
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私たちの宇宙が高次元空間のなかに埋め込まれたブレーン（膜）であり、他のブレーンと衝突する度にビッグバンを経験しているというブレーンワールド宇宙モデルが正しければ、宇宙は永遠にバウンスしてはビッグバンを繰り返し続けるということになる。この終焉シナリオが「ビッグバウンス」である。
第８章 未来の未来
第９章 エピローグ
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宇宙論と素粒子物理学は現在、ちょっと体裁の悪い状況にある。ある意味ではどちらも、自らの成功の犠牲者だ。どちらの分野でも、きわめて正確で総合的な世界の記述法があり、それに矛盾するものは何も発見されていないという意味で、その記述法はきわめて良好に機能している。問題なのは、それがなぜうまくいくのかに関して、私たちがまったく理解していないことだ。（中略）
物理学者として、自分の研究テーマについては、私はつねにあるレベルの冷静さを保つように努力しているが、時空は、それが何か私たちが話題にできて、座ることができるものだという意味においてのみ実在であって、宇宙が実際にそれでできているという意味では実在ではないと思うと、それはいまにも足元で崩壊するかもしれないという感覚に、やはり襲われてしまうのだ。
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現在の宇宙論と素粒子物理学はどちらも基本モデルを確立し、あらゆる観測結果を矛盾なく説明できる段階に到達している。まさにそれが故にダークマターやダークエネルギーを理論に取り込む糸口が見つからないという悩みを抱えながら、宇宙の始源から終焉まですべてを明らかにしようとする科学者たちの挑戦は続く。おそらくは宇宙の終焉まで。
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