超ひも理論と人類の誕生


高校時代の友人から

「JWAVEで、宇宙物理学者の佐藤勝彦先生が『空間を9次元で捉える(超ひも理論?)と、人間起源が説明できる』という話をされていたんだけど、どういうこと?」と質問を受けました。

超ひも理論…はっきり言って、難しいです(>_<)。また、まだ未完成の理論でもあります。しかし、この理論が大変注目されているのは「森羅万象をたった1つの理論で説明したい」という、おそらく全世界の物理学者共通の夢を実現する可能性があるからです。

頑張って、書いてみたいと思います。

4つの力

そもそも物理の基本は「物体は力を受けると動く」と考えることにあります。すなわち、森羅万象を説明する統一理論とは「力」を統一的に説明できる理論であり、それこそが究極の理論だということです。力は次の4種類にまとめることができます。

・重力


・電磁力


・強い力


・弱い力

後半の「強い力」、「弱い力」というのは随分と幼稚な言い回しですが、これは原子核の中に存在する2種類のカの強い方と弱い方の力をそれぞれ表したものです。

現在までのところ、この4つの力のうち、「電磁力」、「強い力」、「弱い力」の3つの力は電気的な力であり、似通っている所もあるので統一的に説明できる標準モデルが確立されていますが、この「標準モデル」では重力を説明することはできません。なぜでしょうか?

相性の悪い一般相対理論と量子力学

アルベルト・アインシュタイン

重力に関する最も精密な理論はアインシュタインの一般相対性理論です(これまで一般相対性理論に反する現象は1つも観測されていません)。しかし、原子核の中のようなごくごく小さいサイズの世界で、重力の効果を計算しようとすると、その答えは「無限大」となり、一般相対性理論は破綻してしまいます。

そこで小さいサイズの世界を扱う理論が必要になります。それがいわゆる量子力学です。しかし反対に量子力学では大きなサイズの物理現象をうまく説明することができません…。

原子核の中に存在する「強い力」と「弱い力」も含めて、4つの力を統一的に説明するには、原子核の中でも通用する量子力学と、重力の理論である一般相対性理論を融合させる必要があるのですが、この2つの理論は大変相性が悪く、「標準モデル」では両者の「結婚」は失敗しています…

宇宙の始まりに一般相対性理論は使えない!?

エドウィン・ハッブル

一般相対性理論がごく小さいサイズの世界を扱えないことは、この理論が宇宙の始まりを説明できないことを意味します。ハッブル望遠鏡で有名なエドウィン・ハッブルは複数の銀河の観測から、宇宙は膨張していることをつきとめました。ということは、時間を逆にたどれば、この宇宙は、ごくごく小さい1点から始まったということになります。そして、この「ごくごく小さい1点」では一般相対性理論は破綻してしまうので、これを使って宇宙のはじまりを説明することはできないというわけなのです。その事を知ったアインシュタインは宇宙の始まりにおいても破綻しない統一理論を目指して研究を続けました。しかし、残念ながら不世出の天才も夢半ばで生涯を終えることになります。

超ひも理論の登場

アインシュタインの死後、登場したのが「超ひも理論」です。

RIKEN NEWSより

超ひも理論は「すべての素粒子は拡大してみたら、ひも状であった」という仮説に基づいています。このひもは振動したり、回転したりするのですが、その振動や回転の仕方が異なると、粒子としての性質が違うために、「異なる粒子」として振る舞うことになる、と考えます…と言ってもイメージが湧きづらいですよね?
イメージを湧かせるために弦楽器の弦を考えてみましょう。弦楽器では1つの弦に異なる振動を与えることで違う音程を鳴らします。つまり、弦の振動の違いが聞こえる音の違いになっているわけですが、超ひも理論ではひもの振動や回転の違いが粒子の違いになっているのです。
これまでの原子論や素粒子論では、数多くの基本的な粒子の存在を仮定する必要がありましたが、ひも理論ではたったひとつのひもを考えれば良いという点で大変エレガントであり、魅力的です。

しかもこのひも理論によると(経緯は難しすぎるので割愛します)は、ミクロの世界を記述する量子力学とアインシュタインの一般相対性理論を見事に融合させることができます。

超ひも理論の難点

では、あらゆる素粒子をたった1つのひもで表し、重力を含んで4つの力を統一的に説明することができる「超ひも理論」こそ、究極の統一理論なのでしょうか?

その可能性は大変高いとされていますが、問題点がないわけではありません。中でも大きな問題は「超ひも理論」ではこの世界を3次元ではなく、9次元ないし10次元の世界として捉えなくてはならない、という点です。なぜなら3次元で考えようとすると、確率がマイナスになるなど、数学的な破綻が起きてし
まうからです。

この問題点に関して、現在最も支持されている考え方は、私たちが捉えている3次元以外の6~7次元は、コンパクト化され小さすぎるために観測するすることができないという考え方です。例えば髪の毛は遠くからみれば1次元の「線」ですが、拡大すれば3次元の拡がりをもった「立体」ですよね?それと同じことが起きているというのです。

膜宇宙論

この宇宙が高次元であることを理解するもう1つの考え方として注目されているのが「膜宇宙論」で、これは我々の世界は高次元の世界に埋め込まれた「膜」のような世界であるとする理論です。例えるなら平面を動きまわるだけのアリは世界を2次元だと思っているかも知れず、我々が理解している(つもりの)宇宙でもそういう誤解が生じる可能性は否定できない、ということです。

この膜宇宙論では、上記の4つの力のうち重力だけが極端に弱いという問題を「重力だけは余剰次元にも作用する」と考えることで説明できる可能性を秘めており、それがこの理論への高いモチベーションの1つになっています。

これらの概念を応用して、宇宙の初期特異点の解決を試みるモデルであるビッグバンの起源を複数のブレーンの衝突で説明するエキピロティック宇宙モデル、宇宙のインフレーションをブレーンの運動で捉えるモデル、そして宇宙のダークエネルギー問題の解決を試みるモデルなど、宇宙論のさまざまな分野でアイデアが提出され研究されています。

あ、突然色々なカタカナを出してごめんなさい。

とにかく「色々可能性がある」ことが分かってもらえれば十分です。

インフレーションって本当にあったの?

宇宙の始まりにビックバンがおきた、というのは有名な話ですね。

しかし、その生まれた瞬間の宇宙は原子よりも小さなものだったと言われています。そしてその小さな宇宙が1秒の1兆分の1の、1兆分の1の、さらに1兆分の1ほどの間に、1兆の1超倍の、1兆倍の、さらに1000万倍の大きさになったと言われていて、これがいわゆる「インフレーション」です。しかしそんな急激な膨張が本当にあったのでしょうか?にわかには信じがたいですよね?

そこで最近は「サイクリック宇宙論」という理論が注目を集めています。

宇宙の最期

サイクリック宇宙論の説明の前に、「宇宙の最期」について。

宇宙は膨張した後、もし物質の密度が高いと、重力によってやがて収縮に転じ、最後には1点に収束してしまうとい言われていて、これを「ビッグクランチ」と言います(反対に膨張によってすべてが引き裂かれてしまうという「ビッグリップ」というモデルもあります)。従来の理論では、ビッグクランチが起きると、そこで宇宙は終わると考えられていました。未来に終わりがある、というのは絶望的な感じですね…。

ただし超ひも理論によると、ビッグクランチが起きた後に、再びビッグバンが起きて宇宙は次の膨張に転じる可能性があります。

我々の宇宙は第50代!?

超ひも理論を応用した「サイクリック宇宙論」では、宇宙は1回きりではなく、何度も収縮と膨張、ビッグクランチとビッグバンを繰り返してきたと考えられます。つまり、宇宙も輪廻転生するというのです。しかもそのたびに約4倍ずつビッグバン宇宙 は大きくなり、試算によると、50回くらいの膨張と収縮を繰り返すことで、ビッグバン宇宙の大きさは1ミリから1メートル程度になります。このモデルであれば、その初期の段階にインフレーションを仮定する必要はありません。

50回目だから、知的生命体まで進化できた!?

また、ビックバンを繰り返す際にエントロピー(≒乱雑さ)は保存されて蓄積されるので、膨張と収縮を繰り返すごとに宇宙の寿命も約8倍ずつ長くなるそうです。現在の宇宙の年齢は約137億年ですが、1世代前の宇宙の寿命は約30億~40億年と推定されます。しかしこれでは知的生命が生まれるには短過ぎるでしょう。私たち人類が存在できるのは、宇宙が膨張と収縮を繰り返し、寿命が長い「50回目の宇宙」になったからかもしれません…。

ふぅ、長かったですね…。最後までお付き合いいただき、ありがとうございます。私は直接ラジオを聴いてないのでわかりませんが、佐藤先生は以上のような話をされたのではないでしょうか?いずれにしても、難しいお話ですし、未解決の問題も多く含んでいます。
質問は…受け付けられません(笑)

ちなみに、超ひも理論の「ひも」は非常に短いため、これが観測で確認できるようになるのは100年以上先になるだろうと言われています…私たちが生きている間に確かめられないのは残念ですね。

最期にホーキングが「膜宇宙論」について語った公演の動画(Part1とPart2)を紹介します。

相変わらず、素晴らしい語り口です。

Part1

Part2
 

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