『現実は私たちに現れているものとは違う』（2014年）は、古代ギリシャの宇宙観察から量子力学の大胆な理論に至るまで、近代科学が歩んできた長い道のりを簡潔に概観する一冊です。本書は、近代物理学の歴史の中で起こった数々の紆余曲折をわかりやすく解説するとともに、物理学者たちが今日もなお格闘し続けている難問の数々を俯瞰します。
本書のポイント：曲がりくねった近代物理学の道のりを歴史的に旅する。
紀元前5世紀頃から、科学的手法を用いて私たちの世界と宇宙の仕組みをより深く理解しようとする学者たちが現れ始めました。20世紀に入るまでにも数多くの発展がありましたが、1900年以降、その歩みは一気に加速しました。
アルバート・アインシュタインの一般相対性理論と量子力学という分野の登場、そして驚異的な技術の発展によって、この100年間は次々と画期的な発見がもたらされてきました。本書は、最大の発見の数々を整理したカタログであると同時に、現在私たちがどこに立ち、どのような謎が物理学者たちを今も悩ませているのかを示す報告書でもあります。本書を読むと、以下のことがわかります：
- 原子について先見の明を持っていた古代ギリシャの学者は誰か
- 現代科学の二本柱がなぜ対立しているのか
- 量子重力理論によれば、あなたの周りの空間はどのような「粒」からできているのか
近代科学は古代ギリシャの学者たちと中世後期の実験から始まった。
最初の人類文明から数千年の間、私たちの祖先は日々の自然現象を超自然的な精霊や神々の仕業として説明していました。それが紀元前500年頃、古代ギリシャの学者たちによってようやく変わり始めます。彼らは、理性と観察と数学が、身の回りの世界を説明するための道具になり得ることを理解しました。その一人がアナクシマンドロスという哲学者で、彼はその合理的な方法を用いて、雨が空から降る仕組みを説明しました。
それは慈悲深い神の仕業ではない、と彼は説明しました。むしろ、蒸発によって水が空に蓄積され、それが地上へと落ちてくるのだ、と。それから間もなく、デモクリトスという別の学者が、世界のあらゆるものは「原子」と呼ばれる微小な構成要素からできているという理論を立てました。デモクリトスはさらに、原子には有限の大きさがなければならない、つまりこれ以上分割できない微小な物質の粒の限界点が存在するはずだと推論しました。この理論は「空間的延長」という考え方に根ざしています。つまり、物質は大きさを持ち、空間を占めなければならない、したがって原子にも分割できない一定の大きさがあるはずだ、というわけです。
紀元前3世紀には、さらなる進歩がありました。プラトンやアリストテレスといった哲学者たちが、数学が宇宙を理解するための道具になり得るという考え方に貢献したのです。そして西暦100年に生まれたプトレマイオスは、惑星の運動を計算する公式を作り出し、その将来の位置を予測することを可能にしました。それから千年以上後のルネサンス期、コペルニクスやガリレオといった学者たちが古代の数学と理性という道具に立ち返りました。コペルニクスは、太陽ではなく地球を太陽系の中心として考えることで天体の軌道がより正確に計算できることを証明し、天文学に革命をもたらしました。同様に16世紀、ガリレオは新しく発明された望遠鏡によって、月の山々、土星の環、木星の衛星を初めて観察しました。
ガリレオはまた、厳密で再現可能な実験によって仮説を検証し、いわゆる科学的方法の確立に貢献しました。その仮説の一つが、すべての物体は一定の速度で落下するという信念でした。しかしガリレオの実験が明らかにしたのは、落下する物体において一定なのは速度ではなく「加速度」、つまり速度が増加する割合だということでした。この発見は、地球上の物体に関する最初の数学的法則となりました。地球上の落下物体の速度は、毎秒9.8メートルずつ増加する、というものです。
ニュートンの万有引力理論は20世紀にアルバート・アインシュタインによって覆された。
ガリレオの計算から約100年後の17世紀、科学者アイザック・ニュートンはガリレオの研究を新たな視点で捉えました。ニュートンは、地球表面のすぐ上を周回する「小さな月」という理論実験を行い、周回天体の曲線と速度に影響を与えている力が、ガリレオの落下物体の背後にある力と同じものである可能性に気づいたのです。ニュートンは、月を地球の周りに周回させ、物体を地面に落下させる、何らかの広範囲に働く力が存在するはずだと考えました。そしてこうして彼は、画期的な万有引力理論を発展させ始めたのです。
ニュートンの理論は、宇宙の新たな姿を提示しました。広大な宇宙空間の中で、天体は「重力」という一定の力によって互いに引き合っている、というものです。この理論は、地球の法則と天上の天体の法則を結びつける力を初めて特定したという点で、科学的理解における大きな飛躍でした。ニュートンは天才でしたが、これが不完全な描像であることも自覚していました。まだ発見されていない謎の力が働いているに違いない、と。果たして19世紀、イギリスの科学者マイケル・ファラデーとジェームズ・クラーク・マクスウェルによって、その力の一つが明らかになります。彼らは「電磁気力」を発見しました。分子を形成する原子同士、そして原子内部の電子を結びつけている力です。
しかし、おそらくそれ以上に重要だったのは「場」という概念でした。ファラデーとマクスウェルは、電磁力が作用することを可能にする目に見えない網の目、すなわち「場」が空間全体に存在していると提唱しました。この場の概念が本格的に定着したのは1905年、ニュートン物理学と当時の最新理論を統合しようとしたアルバート・アインシュタインの特殊相対性理論によってでした。この革新的な理論で、アインシュタインは、異なる観測者がそれぞれの固有の条件に応じて時間と空間の法則を異なって体験し得ることを示しました。もはや、時間さえも普遍的な絶対ではなくなったのです。これは大きな啓示でしたが、アインシュタインの仕事はまだ始まったばかりでした。
アインシュタインの一般相対性理論は物質と空間を結びつけ、膨張する宇宙を示唆した。
1905年、アインシュタインの特殊相対性理論は多くの人を驚かせ、科学界の大胆な若き声として彼は一躍有名になりました。しかしその10年後、彼の「一般相対性理論」は、科学的理論化の傑作、いや美しい作品とさえ称されるようになりました。一般相対性理論が優れていたのは、かつて電磁場が電気力と磁気力を統合したように、すべての物質と空間が同じ「重力場」の法則に従うものとしてまとめ上げた点にありました。重力場を導入することで、アインシュタインは再び空間の概念とその構成を再定義したのです。
空間は長い間、空虚と同義でしたが、アインシュタインはそうではないと示唆しました。一般相対性理論によれば、空間こそが重力場であり、それは絶えずすべての物質に影響を与えています。ニュートンの世界では、空間と物質の問題は別々に考えられていました。しかしアインシュタインは、質量が周囲の空間を曲げ、空間に「湾曲」を生み出す仕組みをエレガントに説明しました。これによって物体は互いに引き寄せられ、まるで漏斗の中の二つのビー玉のようになります。こうして、ニュートンの17世紀の重力概念は、見事に20世紀へと持ち込まれたのです。
アインシュタインの理論は宇宙の起源にも適用され、すべてが「ビッグバン」から始まったという概念につながりました。科学者たちは長い間、宇宙は有限なのか無限なのかという問いを考えてきました。しかしアインシュタインは中間の答えを示しました。何かが有限かつ無限であり得る、と。たとえば地球を考えてみましょう。一つの方向に出発したら、地表に沿って永遠に旅を続けることができ、行き止まりにはぶつかりません。ある意味でそれは無限ですが、それでも地球の表面積は有限です。
このことからアインシュタインは、空間の幾何学も同じではないかと理論化しました。もしかすると、一つの方向に進み続ければ、いずれ出発点に戻ってくるのかもしれない、と。しかし、宇宙が有限であるならば、重力によって内部のすべての天体が中心へと引き寄せられ、最終的にすべての物質が内側へと崩壊してしまうはずです。まだそうなっていないということは、何かがすべてを動かし始めた出来事によって、宇宙は外側へ膨張しているに違いない──アインシュタインはそう考えました。そしてこうして彼は、ビッグバン理論として知られるようになる考え方に到達したのです。それは、重力による引き寄せに対抗するだけの力を生み出した最初の出来事です。
量子力学の理論は世界の三つの根本的な側面を明らかにした。
20世紀に登場した画期的な理論は、アインシュタインの一般相対性理論だけではありませんでした。物理学はまた、「量子力学」として知られる量子論によっても革命を起こしました。一般相対性理論が空間と物質の宇宙的法則を説明しようとするのに対し、量子力学は原子や粒子のミクロなレベルで何が起きているのかを最もよく説明する理論です。しかし、この物理学の分野は実験的に大きな成功を収めている一方で、物理学者たちが今も格闘し続ける多くの謎を秘めています。
本質的に、量子力学は私たちの世界の三つの根本的な部分、すなわち「粒状性」「関係性」「不確定性」に光を当てました。すべては1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクが電場におけるエネルギーを計算し始めたことに端を発します。計算を少しでも楽にするために、プランクは数学的な近道を使い、場のエネルギーは全て、一般に想定されていた連続的な割合ではなく、「量子」と呼ばれる小さな塊で分布していると仮定しました。プランクにとって驚きだったのは、彼の計算が的中したことです。量子が単なる数学上のトリック以上のものであることがすぐに明らかになりました。1905年、アインシュタインは光もまた同様の小さな塊からできていることに気づきました。
その数年後、デンマークの物理学者ニールス・ボーアは、原子の電子は、想定されていた連続的なエネルギースペクトルとは異なり、特定の量のエネルギーしか持ち得ないことを発見しました。つまり、プランク、アインシュタイン、ボーアが発見したのは、量子力学の背後にある根本的な理論でした。それは、エネルギーと光はどちらも微小で有限の塊からできているため、宇宙は「粒状的」であるということです。量子力学の次の根本的な側面は、世界が「関係的」であることです。これはドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルクによる発見とされています。1920年代、ハイゼンベルクは、電子が常に空間内で正確な位置を持つとは限らないことを発見し、物理学者たちの間で広く信じられていたもう一つの信念を覆しました。代わりにハイゼンベルクは、電子の位置は他の何かと相互作用している場合にのみ決定できることを見出しました。さらに一歩進めると、これは、電子が他の物体との関係に基づいてのみ「存在」し得ることも意味します。
そして三つ目の側面が「不確定性」です。名前が示すように、不確定性とは、電子の位置などの物理的出来事を予測できるのは、確実性ではなく確率のみであることを意味します。これが、亜原子環境の奇妙な世界なのです。
量子重力理論は空間と時間の常識的な概念に疑問を投げかける。
今日、現代物理学はパラドックスに直面しています。20世紀物理学の二本柱である一般相対性理論と量子力学は、互いに矛盾しているのです。まず、一般相対性理論によれば空間は曲がっており、すべては連続的です。しかし量子力学の世界では、空間は平坦で、すべては粒状であり、小さな塊として存在します。
物理学者たちがこれらの違いを調和させ、この二つの世界を何とか結びつける理論を見つけたいと熱望しているのは当然です。そしてそれこそが、現代の量子重力理論という分野が目指していることです。基本的に、量子重力理論は二つの根本的な主張をします。一つ目は、空間は連続的ではなく、やはり粒状であるということです。これはデモクリトスと、原子レベルで何が無限に分割可能かという問いに立ち返るものです。量子重力理論とソ連の物理学者マトベイ・ブロンシュタインによれば、空間はデモクリトスが物質と原子について理論化したのと同様に、「無限に」分割可能ではありません。
ブロンシュタインは1930年代にこの理論を発展させましたが、その後の研究は、空間を分割できる最小サイズが10 -33 センチメートルであることを示唆しており、彼の主張を裏付けています。この測定値には「プランク長」という名前さえあり、原子核の10億分の1の大きさです。空間はこれまで考えられていたよりも物質に近いことがわかってきたため、その粒状の性質を指して「空間の原子」や「空間の量子」といった呼び名も使われるようになりました。量子重力理論のもう一つの根本的な主張は、時間という非常に基本的な概念に関するものです。一世紀以上前、アインシュタインの特殊相対性理論は、私たち全員が偉大な宇宙時計に従っているという考えを否定しました。実際には、宇宙の場所によっては、時間は他の場所よりも遅く、または速く流れます。
たとえば、高い場所にいるほど時間は速く流れます。一つの時計をテーブルの上に置き、もう一つを床に置いた場合、地球に近い方の時計はわずかに遅く進みます。時間はもはや普遍的で信頼できる科学的測定基準ではなくなったため、量子重力理論の分野を含む現代の物理学者たちは、基本的な方程式に時間を使わなくなりました。つまり、出来事がもはや「時間の中で」起こるとは言えないだけでなく、現代物理学においては「時間は存在しない」とさえ言えるのです。
まとめ
本書の核心的なメッセージ：物理学の研究は長い道のりを歩んできました。 古代ギリシャの学者たちが最初に理性を用い、中世には厳密で再現可能な実験を通じて科学的方法が発展しました。 この伝統から、ニュートンは時間と空間が絶対的であるという世界理論を築き上げました。 しかしニュートン的伝統は、20世紀に入り、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学によって根本から覆されました。
今日、物理学者たちは一般相対性理論と量子力学の差異を調和させようと努めており、その結果、時間は相対的で、空間は粒状であり、電子は存在すると同時に存在しないかもしれないという驚異の世界が開かれました。 次に読むべき本：『タオ自然学』フリッチョフ・カプラ著 西洋科学者の視点から現代物理学の現状を一通り学んだあとは、より精神的で東方的な視点から物理学を見てみましょう。この二つの世界はまったく無関係だと思うかもしれませんが、『タオ自然学』（1975年）が明らかにするように、東洋の神秘主義と量子力学・一般相対性理論の科学の間には驚くべき共通点があります。精神性と現代科学は相容れないという印象を持っていたなら、本書はその二つが実は手を取り合って歩むことができる別の道を示してくれるでしょう。
