『すごい物理学講義』（2014年）は、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学という、現代物理学の二本柱にどのようにして到達したのかを解説する、示唆に富んだガイドブックです。著者のカルロ・ロヴェッリが、これら二大理論が切り拓いた驚異の世界を、その秘密や解き明かされた謎、そして浮かび上がった新たなパラドックスとともに紹介します。
本書の概要：現代物理学のルーツと最前線を、一気に俯瞰する。
私たちの宇宙は、魅惑に満ちています。それは太陽系や銀河といった壮大な世界だけでなく、原子レベルで日常的に繰り広げられているミクロの世界も同様です。長い間、人類は、地球が宇宙全体の中でどのような位置にあるのかという「大きな視点」も、生命を構成する基本的な要素の本質という「微細な視点」も、ほとんど持ち合わせていませんでした。
著者カルロ・ロヴェッリの案内で、私たちは物理学者の目線からこれらの世界を覗くことができます。ロヴェッリは、現代物理学の誕生までをひも解き、一般相対性理論と量子力学という二本柱が何を教えてくれたのかを明らかにします。さらに、現代の物理学者たちが頭を悩ませている差し迫った問題や、いまだ探し求められている「失われたピース」についても解説します。本書を読めば、次のような知見が得られるでしょう。
- この世界に「モノ」は存在せず、ただ一時的な「出来事」があるのみだということ。
- 「空間の原子」とは何か、そしてなぜそれがパズルの欠けたピースとなり得るのか。
- 「熱」と「時間」がどのように深く関係しているのか。
アインシュタインの一般相対性理論は、シンプルかつ革命的なアイデアから生まれました。
1905年、アルバート・アインシュタインという名の若者が、当時最も権威ある科学雑誌の一つ『アナーレン・デア・フィジーク』に三本の論文を提出しました。驚くべきことに、これらの論文はいずれも現在ノーベル賞に値するものと評価されていますが、特に最も有名になったのは三本目の論文です。そこにはアインシュタインの最初の相対性理論が記されていました。今日では「特殊相対性理論」として知られるこの理論は、時間はそれを体験する人を取り巻く状況によって相対的に変化する、と本質的に説明するものです。例えば、光の速さに限りなく近い速度で移動すれば、時間の流れは遅くなります。
つまり、友達を置き去りにして高速ロケットで旅に出て、光速に近いスピードで地球を一周して帰ってきた場合、じっと立っていた友達よりも、あなたに流れた時間の方が短いということです。アインシュタインの理論は科学界に衝撃を与え、彼は瞬く間に時の人となりました。しかし、彼が取り組まねばならない問題が一つありました。当時、彼の理論は、17世紀から揺るぎない地位を築いていたアイザック・ニュートンの重力理論と真っ向から矛盾していたのです。ニュートンの理論によれば、惑星や星々が互いにどのように影響し合い、宇宙空間をどう移動するかは、重力によって制御されています。これは、宇宙とそれを支配する法則に対する私たちの理解を大きく前進させました。広大で空虚に見える宇宙空間に、目に見えない何かが働いているという手がかりを、人類は初めて掴んだのです。
一見空っぽに見えたその空間は、イギリスの物理学者マイケル・ファラデーとジェームズ・マクスウェルによってさらに満たされていきました。彼らは「電磁場」という概念を提唱したのです。これで、重力に加え、電気的な力を「伝達する」電波の存在が加わりました。アインシュタインは10年にわたる努力の末、ついに「一般相対性理論」を完成させます。それは、モーツァルトの『レクイエム』やホメロスの『オデュッセイア』にも例えられるほど美しく優雅な、思考の傑作でした。アインシュタインの思考の核心にあったのは、「電磁場が存在するならば、同様に重力場も存在するはずだ」という発想でした。
アインシュタインの天才はこれをさらに推し進め、重力場は空間を「満たしている」というよりも、重力場こそが空間そのもの「である」と理論化したのです。これは、空間が平坦ではないことを意味します。空間は、惑星や星のような巨大な質量を持つ天体の「周りで」湾曲し、その湾曲によって重力場が力を及ぼし、物体が飛び去っていくのを防いでいるのです。アインシュタインの研究は、後続の理論にとって完璧な出発点となりました。
量子力学は、20世紀から今日に至るまで、物理学者たちの頭を悩ませ続けています。
20世紀の物理学の根幹をなすものに、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学という二本柱があります。しかし、両者に共通点はほとんどありません。量子力学は「量子論」とも呼ばれ、原子や粒子が存在するミクロの世界にズームインした時に起きる現象をすべて理解するために用いられます。そしてそれは、宇宙への洞察をもたらしただけでなく、コンピューター技術にも大きな進歩をもたらしました。それでも、私たち大多数にとって、量子力学は神秘的で、ほとんど理解不能な分野です。
量子力学の正式な始まりは1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクが電場を研究中のことでした。プランクは計算を簡略化しようと試み、エネルギーを、はっきりとした値を持つ「小さな塊（かたまり）」の形で表現することにしました。これにより、電場のエネルギーは連続的なスペクトル上を動くのではなく、特定の値をとらざるを得なくなります。すると驚いたことに、プランクの計算は驚異的な精度で現実と一致し始めたのです。結果的に、このエネルギーの塊は確かに実在することが分かりました。その五年後、アインシュタインが、光が「光子」と呼ばれるエネルギーの塊から構成されていることを証明し、さらに確固たるものとなります。
1920年代から1930年代にかけて、デンマークの物理学者ニールス・ボーアが、電子に関する画期的な発見をし、量子の世界はさらなる驚きをもたらしました。ボーアは、原子内の電子が持ちうるエネルギー量には、限られた特定の値しかないことを発見したのです。しかも、このエネルギー量が、原子核の周りを回る電子の軌道を決定していました。発見はそれだけではありません。ボーアは、電子がある軌道から別の軌道に移動できることも突き止めました。しかし、その移動方法は、単に「滑り移る」のではありません。そうするとプランクの計算と矛盾してしまうため、電子は「ジャンプ」しなければなりません。つまり、一つの軌道から姿を消し、別の軌道に再び現れるのです。この驚くべきジャンプは、「量子跳躍」という名で広く知られています。
量子論における次の発見は、また別のドイツ人物理学者、ヴェルナー・ハイゼンベルクによるもので、電子の奇妙な振る舞いを説明しようとしたものでした。ハイゼンベルクは、電子が存在するためには、観測などの相互作用が必要なのではないかと提唱しました。結局のところ、誰も観測していなければ、電子は決まった位置を持ちません。そして、決まった位置を持たない何かについて、私たちは次にどこに現れるかの「確率」しか計算できないのです。量子力学の出現は物理学における大きな飛躍であり、今日、技術者、化学者、生物学者、物理学者たちが日常的に使用する方程式を生み出しました。ここで、そもそもの宇宙観の始まりを振り返りながら、私たちがどうやってここに到達したのかを詳しく見ていきましょう。
私たちの宇宙観は、地球中心の天動説から、膨張する宇宙の小さな一部へと変わりました。
20世紀の後半、量子力学と一般相対性理論は、宇宙の「マクロコスモス（大宇宙）」と、原子や素粒子の「ミクロコスモス（小宇宙）」の両方を理解するために用いられました。まずはマクロな視点から、一般相対性理論がどのように私たちの宇宙理解を深めたのかを見てみましょう。今から約26世紀前、ギリシャの哲学者たちが登場する以前、ほとんどの人は世界が平らで、頭上には空があるだけだと考えていました。しかしそこに、アナクシマンドロスというギリシャの思想家が現れ、空は私たちの「周りを取り囲んでいる」と気づいたのです。
これに続き、パルメニデスやピタゴラスのような他のギリシャの哲学者たちによって、さらに多くの観察結果がもたらされました。やがて、地球は平らではなく球体であると示唆されるようになります。しかし、これらの思想家たちはまた、空にある惑星や星々が地球の周りを回っているとも考えました。この地球中心の宇宙観が変わり始めるのは、中世の終わりにコペルニクスが登場し、太陽こそが中心にあり、地球やその他の星や惑星がその周りを回っていると提唱してからのことです。この時代、望遠鏡の登場によって、宇宙を観測し知る力は飛躍的に増大しました。そして、地球だけでなく、太陽系全体さえも、何十億もの星々で満ちた銀河系の小さな一部分に過ぎないように思われ始めたのです。
もちろん、これでさえ控えめな表現でした。20世紀初頭、物理学者たちは、私たちの銀河系全体さえも、広大な宇宙に存在する無数の銀河の中の、ほんの小さな「塵（ちり）」の雲に過ぎないことを発見したのです。そしてここで、アインシュタインは私たちの空間認識を一変させました。穏やかな海面のように平坦な空間から、波打つ海面のように湾曲した空間へと変わったのです。アインシュタインはまた、こうした波が非常に高密度な質量を集め、水面にくぼみを作るように「ブラックホール」が生まれると予測しました。最終的に、宇宙の観測によって、それがゆっくりと膨張していることが明らかになりました。この膨張を逆再生することで、宇宙はかつて、極小で、超高温、超高密度の一点であり、それが爆発して、今日私たちが見る壮大な宇宙の舞踏が始まったと結論づけられるのです。
私たちの世界は、無数の素粒子とその相互作用から成り立っています。
さて、ここで20世紀物理学のもう一方の柱、量子力学と、それが教えてくれる宇宙のミクロコスモス（原子や素粒子の世界）に目を向けましょう。まず理解すべきことの一つは、物質世界を構成する「素粒子」についてです。目に見えるもの、手で触れられるものすべてに含まれる「原子」もここに含まれます。各原子の中心には「原子核」があり、その周りを「電子」が回っています。さらに、それぞれの原子核の中には、「陽子」と「中性子」が密集して詰まっています。
もう一歩踏み込んで陽子と中性子の内部を覗くと、「クォーク」と呼ばれるさらに小さな粒子を見つけることができます。そして、それらのクォークを、接着剤のように結びつけている粒子があります。物理学者たちは巧みにも、これらの粒子を「グルーオン（接着剤の意）」と名付けました。さらに、私たちが見る光を構成する粒子である「光子」もあります。そのほか、「ニュートリノ」や「ボソン」といった、より神秘的で捉えどころのない粒子も含めて、これらが私たちの物理的で視覚的な世界の構成要素となる素粒子なのです。これらの要素は覚えるのが大変かもしれませんが、このように分解してみると、まだ単純明快に思えます。
しかし、量子力学は、素粒子が機械的で単純明快な振る舞いをしないことを教えてくれました。実際、それらの多くは、予測可能だったり幾何学的だったりする動き方すらしません。量子力学はまた、私たちの世界は「モノ」でできているというよりは、「出来事」でできているのだと教えています。私たちのほとんどがまさに「モノ」だと考えている「石」でさえ、実は一つの出来事なのです。分子のユニークな配列という出来事であり、それは究極的には一時的なものです。いずれ、その配列は溶解し、バラバラになります。言い換えれば、「石」の状態は「石に刻まれた（不変の）もの」ではないのです。
粒子の振る舞いをさらに説明する統一理論に最も近づいたのは、「素粒子物理学の標準模型」として知られるものです。これは1950年代から1970年代にかけて、アメリカの物理学者マレー・ゲルマンとリチャード・ファインマンによって開拓されました。標準模型は数多くの実験で成功を収めてきましたが、アインシュタインの理論のような優雅さには程遠いものです。むしろ、それは公式の寄せ集めのようなもので、物理学者から普遍的な尊敬を集めるには至っていません。しかし、もしかすると、私たちは別の理論が現れて、これらの緩やかに集められた公式をきちんと結びつけてくれるのを待っているだけなのかもしれません。
一般相対性理論と量子力学は相容れず、新たな理論を生み出しています。
ここで、現代物理学の二本柱を相互の関係から見てみましょう。完璧な世界であれば、これはミクロとマクロの宇宙のシームレスな統合へとつながるでしょう。しかし、残念ながらそうはなりません。現在の形では、一般相対性理論と量子力学は矛盾しています。
これこそが、現代の物理学者たちが直面する大きなパラドックスです。それぞれ単独では、両理論とも宇宙で起きることを驚くほど正確に予測します。しかし、それらを統合しようとすると、矛盾が噴出するのです。例えば、一般相対性理論を用いて空間、エネルギー、物質を観測すると、私たちは湾曲し連続的な宇宙を見ています。しかし量子力学においては、空間は平坦であり、エネルギーは「量子」と呼ばれる有限の塊で存在します。こうしたパラドックスを解決し、量子論の粒子と一般相対性理論の重力の両方と互換性のある概念的枠組みを見つけようと取り組む物理学者たちは、「量子重力理論」という分野に属しています。物理学の世界では「自然の統一理論」を求めて探索が続いており、これまでのところ最有力候補の一つとなっているのが、「ループ量子重力理論（LQG）」です。
これは、空間が「ループ」と呼ばれる知覚できない微細な粒でできているという考え方に基づいています。ループは「空間の原子」としても知られていますが、この呼び名は誤解を招くかもしれません。この理論では、ループは空間の「中に」あるのではなく、それ自体が空間「である」と考えるからです。ある意味で、これはパラドックスを部分的に解決します。空間が連続的ではなく、微小な粒で構成されていることになるからです。LQGはまた、時間もまた連続的ではないと示唆しています。
代わりに、時間は自然界のプロセスごとに、独自の異なるリズムを持っています。そして最後に、LQGにはビッグバンに関する特に頭がくらくらするような考え方があります。ビッグバンとは、多くの人が宇宙の始まりと信じる爆発的な出来事です。この理論によれば、もし私たちの宇宙の前に、内側に崩壊した後、爆発した宇宙があったとしたら、それは「ビッグバウンス（大いなる跳ね返り）」だったかもしれないのです。
熱は偶然の出来事であり、熱の説明は「時間」の本質を説明する核心です。
頭がくらくらしてきたところで、物理学の別の領域、そしてそれに劣らず魅力的な「熱力学」に目を向けましょう。驚くべきことに、熱力学という分野全体は、一つの素朴な疑問から始まりました。「熱とは何か？」と。熱を見る一つの方法は、それを「純粋な偶然の出来事」として捉えることです。今日、私たちは熱について多くを知っていますが、19世紀半ばには状況が全く異なっていました。
当時、熱は「熱素」、つまり一種の流体のカテゴリーに分類されていました。もちろん、熱は流体ではなく、物体の原子が極めて高速で動き、それによって生じる摩擦の結果です。原子は常に振動し、跳ね回り、動き回っているのです。振動、跳ね返り、動き回りが速ければ速いほど、物体は熱くなります。これは物体が熱くなる理由への答えかもしれませんが、熱量が実際にどのように「伝達」されるのかという説明にはなっていません。例えば、熱いコーヒーに冷たいスプーンを入れると、スプーンは熱くなります。
しかし、スプーンに残った熱がコーヒーに移動して、コーヒーがさらに熱くなることはなぜないのでしょうか？ 19世紀の物理学者ルートヴィヒ・ボルツマンによれば、熱は、熱い物体と冷たい物体が出会ったとき、純粋な偶然によってのみ伝わります。熱が二つの物体間で移動しなければならないという物理法則はありません。それは単に、統計的確率の問題なのです。ですから理論的には、熱い物体が冷たい物体に出会ったとき、熱い物体がさらに熱くなることもありえます。ただ、その確率は極めて低いのです。熱に関するもう一つの興味深い点は、それが私たちの時間認識に影響を与えることです。自由に揺れる振り子を考えてみてください。空中を揺れるとき、振り子は原子と接触し、摩擦を生み、それが熱を生み出し、振り子は揺れるたびにエネルギーを失います。
これが起こるのを見て、私たちは二つのことを知っています。過去には、振り子は揺れていた。そして未来には、それは静止しているだろう。しかし、もし摩擦がなく、したがって熱もなかったらどうでしょうか？ もしそうなら、振り子は永遠に揺れ続けることができ、私たちの過去、現在、未来という感覚、つまり時間の概念全体が失われてしまうでしょう。人間とは、本来的に好奇心の強い存在です。
人間もまた、現代物理学が描き出すこの驚異の世界の一部です。
そういう意味では、物理学者や、身の回りの世界を観察し理論化する人々は、サバンナの草原でアンテロープの足跡を見つけた初期の人類の、延長線上にいるのです。好奇心こそが、人類を見知らぬ土地へと探検に駆り立てました。そして、世界の隅々に足跡を残すと、今度は月へと向かったのです。その間、ずっと、私たちは宇宙の最後の秘密をすべて発見しようと探求を止めませんでした。
宇宙を研究していると、人間が単なる外部の観察者ではないことを忘れがちです。私たち自身が、現代物理学が解き明かしつつある、この魅惑的な宇宙の一部なのです。実際、私たちは物理学の核心にある自然法則の産物に他なりません。例えば、遠い銀河の星々にある原子は、地元の公園の木にある原子や、地球上のすべての人間にある原子と同じものです。私たちをユニークにしているのは、思考、道徳観、感情、意識ですが、これらすらも現代物理学が描き出す世界の一部です。自由意志の問題など、人間の哲学の一部もまた、物理学が理解を望む対象です。物理学は自然法則を扱い、その法則は、出来事を理解することを可能にするだけでなく、何かが起こる前にそれを予測することも可能にします。
一般的に、私たちは自由意志を持っており、自分の行動は唯一無二で、科学によってあらかじめ決定することはできないと感じています。ある意味で、私たちは皆、外部からの力が決めることではなく、自分の思考に基づいて行動し、自由に選択することができます。しかし、人間の行動は自然法則の外に存在するわけではありません。私たちの決定も、他のあらゆる出来事と同様に、自然法則によって決定されています。人間の脳の働きは、宇宙のすべての物事に一定の運命があるのと同じように、自然な振る舞いをするよう運命づけられているのです。確かに否定できないものの一つに、死があります。
それが花であれ、人間であれ、空に輝く星であれ、すべてのものは生まれ、いつかは死にます。種は現れ、繁栄し、そしていずれ絶滅します。これが宇宙の出来事のサイクルであり、それは、私たちの種もまた消え去る日が来ることを示しています。しかし、その日が訪れるまで、私たちは決して発見への探求を止めないでしょう。
最終的なまとめ
本書の核心となるメッセージ：20世紀は、私たちに二つの驚嘆すべき世界観をもたらしました。アインシュタインの一般相対性理論と量子力学です。一般相対性理論は、宇宙という「大きな全体像」、すなわち巨大な質量を持つ天体がどのように相互作用するのかについての理解を私たちに与えました。量子力学は、原子や素粒子からなる「微細な世界」への理解をもたらしました。これら二つの理論は、宇宙について多くのことを明らかにしてきましたが、同時に互いに矛盾しています。
そのため、自然法則を統一する新たな理論が模索されています。一方で、人間は現代物理学の法則を観察するだけでなく、その法則に支配されている存在でもあることを忘れてはなりません。
ご意見・ご感想をお待ちしております。この本のタイトルを件名に、ぜひメールでお聞かせください！さらに読み進めるなら：『現実は私たちには見えない』（カルロ・ロヴェッリ著） 『現実は私たちには見えない』（2014年）は、古代ギリシャの宇宙観から量子力学の刺激的な理論に至るまで、現代科学の長い旅路をコンパクトに概観します。本書は、現代物理学の歴史において生じた数々の紆余曲折と、今日の物理学者たちが格闘し続けている難問について、非常に分かりやすく解説した内容となっています。
