黒夜行

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重力とはなにか アインシュタインから超弦理論へ、宇宙の謎に迫る(大栗博司)

僕は物理が好きなので、この手の本は結構読んでいて、本書に書かれていることは大体「知っていた」。いや、だからつまらなかった、というわけでは全然ない。僕は「知って」はいるけど、まだちゃんと「理解できている」わけじゃない。僕は、「知る」というのは出会ったことがある、見聞きしたことがあるという意味で、「理解する」というのは誰かに説明できるという意味で使っている。僕はまだ、本書で扱われているテーマについてちゃんと誰かに説明できるだけの理解には達していない。だからこういう本は時折読むし、その度にやっぱり面白い。

ただ、僕が「知っている」ことが多かったということは、本書は、本書で扱われているような内容について、非常に一般的なことが書かれている、と言っていい。相対性理論、量子力学、ブラックホール、重力などなど、割と最近の物理学についての避けては通れないテーマについて、分かりやすく書かれている一冊だ。先に挙げたようなテーマの本を読んだことがない人でも、頑張ればついていけるんじゃないかと思う。もちろん、これらのテーマは、テーマ自体が相当に難しい。特に量子論なんか、同じ人間が作ったものとは思えないほど奇妙奇天烈だ。量子力学については有名なジョークがある。天才物理学者ファインマンの、

【量子力学がわかっているなんていう奴に会ったら、そいつは嘘をついている】

というものだ。ファインマンは、学校の授業についていけなかったから、自力で量子力学を学び、誰も成し得なかった斬新な発想によって、量子力学の計算を一気に簡略化する方法を導き出した天才だが、そんな天才でも量子力学が「分からない」のだから、我々凡人に理解できるはずもない。

また、量子力学と特殊相対性理論を組み合わせることで「反粒子」というものが予言されるが、この説明に先立って著者はこんな引用をしている。

【これは、カブリIPMUの村山斉機構長の著書『宇宙は何でできているか』(幻冬舎新書)に、

あまりまじめに考えると頭が混乱して気持ち悪くなるので(笑)、「そういうものか」とファジーに受け止めたほうがいいでしょう。私もあまりまじめに考えないことにしています。

と書いてある話です】

カブリIPMUというのは著者も所属する研究所で、そのトップにいるのが村山斉なわけですが、そんな人でも「まじめに考えないことにしている」というようなものなのだ。

だから「天才だって分からないんだからしょうがない」ぐらいに思って読むのがいいと思う。

とはいえ著者は、かなり分かりやすく説明していると思う。あとがきにもこう書いている。

【本書を書くときに思い浮かべたのは、卒業以来会っていない高校の同級生でした。(中略)
久しぶりに会ったので、一緒に勉強をした高校の理科から話を初めます。しかし、説明を簡単にするためにごまかしをしてはいけない。大切だと思うことはきちんとわかってもらえるように、少しぐらい話が長くなっても丁寧に説明しました】

本書では、例を使って分かりやすい説明をしているのだけど、それらが結構秀逸だ。「光電効果」という謎めいた現象があり、それをアインシュタインが「光量子仮説」という説明で解決したのだが、その「光量子仮説」を説明するために「囚人」と「100円玉」を例に出す。他でこんな説明を読んだことはないので、著者のオリジナルではないかと思う。

本書は、著者が初めて書く一般向けの科学解説書で、2012年の発売だ。こういう本の宿命ではあるのだけど、本書の刊行以降、重大な発見が相次いだので、その辺りは当然組み込まれていない。本書の中では「重力波」も「ヒッグス粒子」も発見されていないことになっているのだけど、どちらも既に発見された。たった8年でこんなにも変わってしまうというのは驚きだ。だから、最近の研究の記述であればあるほど、情報が古い可能性がある。

とまあそんなわけで色々書いたが、とにかくこの感想の中では、相対性理論や量子力学については触れないことにする。とにかく、それらについて分かりやすく書かれているのでオススメだ。

さて、著者は「超弦理論」という分野の専門家だ。本書の翌年には「大栗先生の超弦理論」という本を出していて、僕はこちらを先に読んだ。超弦理論もまたむちゃくちゃな理論で、量子力学並に意味不明な話が連発するのだけど、本書でもその雰囲気を少し味わえるだろう。というわけで、本書で触れられている超弦理論についてざっと書いてみたいと思う。

そもそも「弦理論」と呼ばれるものがあった。これを生み出したのが、天才・南部陽一郎で、素粒子を「点」ではなく「弦(ひも)」と捉えよう、というものだ。さて、素粒子には「ボソン」と「フェルミオン」という2つの種類があるのだが、南部陽一郎が生み出した「弦理論」は、その内の「ボソン」しか扱えないものだった。しかし、「超対称性」と呼ばれるものを「弦理論」に組み込むことで、「フェルミオン」まで扱えることになった。そのためこの理論は「超弦理論」と呼ばれるようになった。

さて、元々南部陽一郎は「超弦理論」を素粒子を説明するために生み出した。当時実験室では、毎週のように「新しい素粒子(実際には素粒子ではなかったのだけど)」が見つかっていて、それをどうまとめたらいいかわからなかった。その整理のために「弦理論」を生み出したのだ。

しかし結局素粒子は、別の理論で説明がつくことになってしまった。このため超弦理論は終了…となってもおかしくなかったのだけど、シュワルツという物理学者はこの超弦理論にこだわり続けた。その理由は、超弦理論が予言する謎めいた粒子(その時点で見つかっておらず、当初は余分な存在だと思われていた)が、「重力波の粒子(重力子)」であることが分かったからだ。現在もそうだが、物理学はある時から、量子力学が重力(一般相対性理論)を組み込まなければいけなくなったのだけど、それは超絶難しかった。とにかく、量子力学と重力は相性が悪いのだ。しかし、超弦理論は、理論の内部にそもそも重力が含まれている。シュワルツは、これは研究し続ける価値があると判断し、ほぼたった一人で超弦理論の研究を続け、画期的な発見を生み出していく。

超弦理論が持っていると思われていた2つの困難(その内1つは、後に重力子だと判明する奇妙な粒子のこと)が取り除かれたため、超弦理論は少しずつ注目を集めることになる。超弦理論にはもう一つ、「6つの余計な次元が必要」という難点(これがもう1つの困難)があった。また昔から、量子力学が高次元(4次元以上)で解こうとするアイデアがあったのだけど、「量子力学」と「高次元」の相性がメチャクチャ悪いという問題があった。しかし超弦理論は、高次元を扱いながら量子力学と相性が良いということが分かった。その理由は、「点」ではなく「弦」だからだ。素粒子を「点」と考える場合、素粒子同士がくっついている、つまり「距離がゼロ」になる場合があり、その時の電磁気力が無限大になってしまう。物理学では、無限大が計算途中で出てきてしまったらおしまいだ。しかし「弦」だと、素粒子同士が近づいても「距離がゼロ」にならない。だから無限大を回避できる、というわけです。

また、シュワルツが頑張ったお陰で、「パリティの破れ」と呼ばれるもの超弦理論に組み込むことが出来た。量子力学と相対性理論を統一する場合の難点の一つが、「標準模型」(様々な素粒子の基本的性質を説明・分類したもの)に必要な材料を揃えられなかったこと。なかでも「パリティの破れ」という材料は、理論に組み込むのが困難だったが、シュワルツはなんとかそれを成し遂げたのだ。

こうして超弦理論の研究は盛り上がり、その盛り上がりに導かれるようにして、大学院生だった著者は超弦理論の研究をする決意をした。

そこから著者は「トポロジカルな弦理論」という、超弦理論におけるある計算法則のようなものを共同で発見することになるのだが、これが、本書の最後の話である「ブラックホールの情報問題」に繋がっていく。

「ブラックホールの情報問題」は、あの車椅子のホーキングが提唱した問題だ。これも説明が難しい(というか、僕がちゃんと理解できていない)のだけど、要するに「ブラックホールは情報を保存できるのか?」ということらしい。

例えば、本を火で燃やすとする。その後、何らかの方法で、本に書かれた情報を復元することは出来るだろうか?現実的には不可能だ。しかし、原理的には不可能ではない。一般的に物理法則というのは、時間の流れに拘束されない。つまり、未来から過去という時間反転が可能だ。燃焼という物理現象も同じで、「燃焼によって残った灰」や「燃焼時の炎から放射された物質」などをすべて完璧に記録しておけば、ビデオテープを巻き戻すようにして本を復元できる(原理的には)。

じゃあブラックホールはどうか。先程と同じように、本で考えてみる。つまり、ブラックホールに本を投げ込んだ後、「原理的に」本の情報を復元できるか、という問題だ。これはつまり、ブラックホールが情報を保存できるのか、という問題になる。

そしてこの問題の最終的な解決に、著者が生み出した「トポロジカルな弦理論」という計算法則が適応出来た、ということだ。その辺りの説明は、なんとなくしか理解できなかったが、面白い。

また、僕は超弦理論について書かれた本も何作か読んでいる。著者は超弦理論の研究者だからそういう言い方はしないが、超弦理論には悪い評判もある。超弦理論の研究者ではない人が書いた本の中で書かれていたのは、「超弦理論は、実験が出来ない机上の空論だ」というものだ。著者自身も、

【いまのところ、この分野は理論が先行しており、それを検証する作業が追いついていません。そのため、「超弦理論は検証不能なのではないか」という疑問の声も聞かれます】

と書いている。しかし、著者自身も書いているように、例えば、原子は予測されてから存在の直接の証拠が見つかるまでメチャクチャ時間が掛かったし、そもそも、ブラックホールだって、ブラックホールが実在するか疑わしいとされていた頃から理論の研究は進んでいた。

【初期宇宙からの重力波を観測できるようになれば、超弦理論を使った宇宙論が直接検証されるようになるでしょう】と書かれていて、実際に重力波は発見されたのだから(まあそれはまだ、「初期宇宙からの重力波」ではないと思うけど)、可能性は十分あるでしょう。また、超弦理論から派生した「ホログラフィー原理」というものがあるのだけど、これを使ったある予測が、「クォーク・グルーオン・プラズマ」の実験で実証されたのだ。こういう点からも、超弦理論の確からしさが認められつつあるだろう。

さて、これでざっと超弦理論の話は終わるが、最後に、本書で初めて知った話がいくつかあるのでそれについて触れて終わろう。

まず、量子力学の世界には「ハイゼンベルグの不確定性原理」という超有名なものがあるのだけど、それとは別に「不確定性原理」というものがあるらしい。これは初めて知って驚いた。今まで色んな本を読んできたけど、全然区別出来てなかった。本書を読む限り、「不確定性原理」は「現象に関する原理」、「ハイゼンベルグの不確定性原理」は「観測に関する原理」ということのようです。

また、測定精度の限界について言及している「ハイゼンベルグの不確定性原理」への疑問が出ている、ということも知らなかった。実際に「ハイゼンベルグの不確定性原理」を超える精度の測定方法が存在するようで、「ハイゼンベルグの不確定性原理」を拡張した新たな不等式が小澤正直によって作られたそうです。知らなかった。

あと、量子力学の世界では超絶有名な「二重スリット実験」というのがあって、日立製作所の外村彰のグループが行った「二重スリット実験」が、「科学史上最も美しい実験」に選ばれたことは知ってたけど、2位が(実際に行われたかどうか分からない)ガリレオの「ピサの斜塔」の実験だった、というのも知らなかった。

また、アインシュタインは、「時間の同時性」と呼ばれるものについて考えをめぐらし特殊相対性理論を生み出したのだが、そのきっかけが、彼の職場だった特許局にあったかもしれない、という話も初めて知った。当時、時計を合わせる技術に関する特許の申請が山のように届いていたことが、アインシュタインの発想を刺激したのではないか、という可能性があるそうです。

では最後に。本書の冒頭で紹介されているエピソードを紹介して終わろう。これは、1969年に、フェルミ国立加速器研究所の初代所長であるロバート・ウィルソンが、米国議会に呼ばれた時のお話。当時、加速器を建設する計画があった。これは、米国原子力委員会の事業の一環で、この委員会は原爆を製造したマンハッタン計画にルーツがあったため、素粒子物理学の研究所でも、建前上、「国防」に関わる目的が求められる。議会でウィルソンは、「素粒子物理学の建設は、わが国の防衛にどのように役に立つか」と聞かれ、こう答えたという。

【「この加速器は、直接には国防の役には立ちません。しかし、わが国を守るに足る国にすることに役立ちます」
ウィルソンの答え方も立派なら、これで納得して計画を通した議会も立派だと思います】

良いエピソードですね。

大栗博司「重力とはなにか アインシュタインから超弦理論へ、宇宙の謎に迫る」

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