アインシュタインと科学者たち

統一理論への道　アインシュタインの見果てぬ夢

プロローグ

さあ、一緒に、SF小説より不思議な世界へ出発です。新しい宇宙論が、想像を超えた奇想天外な世界に、私たちを誘ってくれます。小さな原子から広大な銀河の果てまで、宇宙のすべてを一つの理論で説明したいと願った、アインシュタインの夢。そしていま、壮大で優美な、新しい宇宙像が生まれようとしています。

第一回　　　　
アインシュタインの見果てぬ夢

＜美しき大宇宙＞
～統一理論への道～
The Elegant universe

ブライアン・グリーン
コロンビア大学

50年前、この家でアルバート・アインシュタインは、大きな謎に取り組んでいました。それはあまりに難解で、いまでもまだ、多くの物理学者が、頭を悩ませている謎です。アインシュタインは、晩年の20年を、ニュージャージー州、プリンストンで過ごしました。

2階の書斎、ここで、宇宙のすべてを説明することができる、統一理論を求めていたのです。人生の終わりが近づいてもなお、アインシュタインは紙と鉛筆を離さず、統一理論の方程式を考え続けました。アインシュタインは、自分が大きな発見に近づいているのは確信していましたが、ついに夢を叶えることなく、世を去りました。それから半世紀、アインシュタインが抱いた統一理論の夢は、いまも物理学の究極の目標となっています。

ひも理論

そして最近になって、ようやく有望な理論が登場しました。ひも理論と呼ばれる、斬新な考え方です。もしひも理論が、宇宙のすべてを解き明かす統一理論だとすると、かなり衝撃的なことになりそうです。私たちは、SFのような世界で生きていることになるからです。11次元の時空。すぐ隣にある並行宇宙。ひもの奏でる音楽で成り立つ、エレガントな宇宙。

ひも理論の考え方は、非常にシンプルです。宇宙のすべては、ただ1種類の要素でできている、というものです。その構成要素とは、ひもと呼ばれる、想像を絶する、小さな振動するエネルギーの糸です。チェロの弦は、多彩な音を出すことができます。

同じように、ひも理論の小さなひもも、様々なパターンで振動し、あらゆるものを作り上げています。言い換えれば、宇宙は壮大で果てしないシンフォニーのようなもの。小さな振動するエネルギーの糸が、多様な音楽を奏で、共鳴しているのです。ひも理論は、全く新しい宇宙観を作ろうとしています。奇妙で、美しい宇宙です。

しかし、宇宙を完全に解き明かし、ただ一つの理論にまとめることが、本当にできるのでしょうか。

rアールμミューνニュー-マイナス2分の1gジーμミューνニューrアール…このあとは？イコール8πパイμミューνニュー。
アインシュタイン・ヒルベルト作用の変分変分原理から、ナノ方程式が得られる。
…これは何？

ワン！

…違う。これはスカラー曲率。
これは、リッチテンソル。
君は、習ってなかったの？

統一

どんなに頑張っても、犬に物理学を教えることはできません。犬の脳は、それを理解するようにできていないからです。では私たち人間はどうでしょう。宇宙の究極の法則を、極めることができるのでしょうか。今日こんにちの物理学者は、可能だと信じています。アインシュタインの果たせなかった夢が、間もなく実を結ぶときが来ると。

ブライアン・グリーン　コロンビア大学

統一理論は、恐らく一つの方程式になるでしょう。そして宇宙のすべてが、このいわゆる、マスター方程式で説明できることになります。マスター方程式は、確実に存在するだろうと考えられています。この200年ほどの間に得られた、様々な研究の成果が、すべて一つの理論体系へと、収束しているように見えるからです。その体系を、私たちはいま、探しているところです。

マイケル・グリーン　コロンビア大学

幅広い物理現象を、シンプルな方法で説明することができれば、間違いなく前進といえます。
宇宙の多種多様な現象すべてを包み込む、一つの偉大な理論を見つけ出すことができたとしたら、それはもう、感動的です。
統一理論を目指すべきだとする考えかたは、物理学の歴史のなかでは、ごく自然なことでした。

統一理論探求の幕開け

統一理論探求の歴史は、科学史上、もっとも有名な出来事で幕を開けました。1665年のある日、一人の若者が木の下に座っていると、突然、一個のリンゴが落ちてきました。これをきっかけに、アイザック・ニュートンは、科学史に革命を起こしたのです。

アイザック・ニュートン

ニュートンはこう言いました。リンゴを地面に引き付ける力と、月が地球の周りで軌道を描いている力は、同じものである。重力と呼ぶただ一つの理論で、ニュートンは天と地を統一したのです。

スティーブン・ワインバーグ　テキサス大学オースティン校

つまり、惑星の動きを支配しているのと同じ法則が、潮しおの満みち干ひや、リンゴの落下も支配しているということです。
私たちの自然観を、見事に統一する理論でした。

重力

重力は、科学的に理解できた、最初の力でした。ニュートンが重力の法則を発見したのは300年以上も前のことですが、非常に正確な予測ができるため、その方程式は、現在も使われています。月に人類を送ったときも、ニュートンの方程式以外、何一つ必要としませんでした。

ところが、決定的な問題がありました。ニュートンの法則は、重力の大きさを正確に説明していましたが、実際に重力が、どのように働くかは、ニュートン本人も分かっていなかったのです。長いあいだ科学者は、見て見ないふりをしてきました。

アルバート・アインシュタイン

1900年代の初め、スイスの特許局で働いていた、アルバート・アインシュタインは、特許の出願書類を審査しながら、光の性質についてじっくり考えていました。これがやがて、重力とは何かを解明することに繋がっていきます。

時空の織物

26歳のとき、アインシュタインは、驚くべき発見をしました。光の速さを越えられるものは、この宇宙には存在しない、というものです。ところが、この概念を発表した途端、アインシュタインは、ニュートンと対立していることに気が付きました。何ものも、光より早く進むことはできないという考え方は、ニュートンが説いた重力の理論と矛盾していたのです。この矛盾を理解するために、ちょっとした実験が必要です。

まず、宇宙規模の大異変を起こしてみましょう。何の前触れもなく太陽が爆発し、完全に消え去ったと考えてみてください。ニュートンの理論に従えば、太陽が消滅すると、惑星は直ちに重力から解放され、軌道を外れて、宇宙空間へ飛び出していきます。

ニュートンは、どんなに遠く離れていても、重力は即座に伝わると考えていました。太陽が消えた瞬間に、惑星の動きも変化する。でも、アインシュタインは疑問を感じました。光の性質を研究していたアインシュタインは、光が瞬間的に届かないことを知っていました。実際、太陽の光が、1億5,000万キロ離れた地球へ届くには、8分以上かかります。そしてたとえ重力でも、光より早く進むことはできないと考えていたのです。

太陽が消滅し、暗闇が私たちの目に届く前に、地球が軌道を離れるということが、起こり得るのでしょうか。アインシュタインは、自分の理論に自信を持っていました。そして、重力に関するニュートンの理論に、疑問を抱き始めました。

S・ジェームズ・ゲイツJr.　メリーランド大学

もしニュートンが間違っているなら、どうして惑星は軌道にとどまっていられるのでしょうか。
思い出してください、ニュートンの方程式は、惑星の運動を解明するうえで、不可欠なものとなっていました。
なぜ惑星が軌道を描くのかを説明したのです。難しい問題でした。

アインシュタインは、新たな宇宙観を考え出さなければなりませんでした。昼は特許局で働きながら、謎を解くための、孤独な探求が続きました。およそ10年が経って、アインシュタインは、ひとつの答えを見つけます。

ピーター・ギャリソン　ハーバード大学

時空の織物

アインシュタインがたどりついた答えは、3次元の空間と、1次元の時間が絡み合う、時空の織物おりものでした。
この、4次元の時空の織物が作り出す幾何学を理解すれば、織物の表面を動く物体について説明することができると、アインシュタインは考えました。

時空の織物は、惑星や星など、重い物体によって、トランポリンのように歪んだり伸びたりします。私たちが重力と感じるものを生み出すのは、こうした時空の歪みや、曲がりなのです。

地球のような惑星が軌道を描くのは、太陽の重力に直接捉えられているからではありません。太陽の存在によって生じた、時空の織物の歪みに沿って、動いているのです。では、新しい重力理論で、あの大異変を再現してみましょう。太陽が消滅したとき、何が起きるでしょうか。

重力が攪乱され、波となって時空の織物を伝わっていきます。小石が池に落ちたとき、波紋が水面を伝わっていくのに、よく似ています。

波が地球に届くまで、私たちは、地球の軌道に変化を感じないでしょう。重力の波は、光と同じ速度で進むとアインシュタインは計算しました。この新しい理論で、アインシュタインは、ニュートンとの対立を解消しました。さらに、重力がどういうものであるのかを、初めて明らかにしました。それは、時空の織物の歪みや、曲がりなのです。

一般相対性理論

この新しい重力理論、一般相対性理論によって、アインシュタインは、一躍時ときの人となりました。

S・ジェームズ・ゲイツJr.　メリーランド大学

アインシュタインは、ロックスターのような存在でした。
当時の有名人のなかでも際立っており、チャップリンと同じくらいのトップスターでした。

マーシャ・バートゥシアック　作家

みんなが、アインシュタインの研究に注目し、期待していました。
重力の法則を作り直すほど、素晴らしい頭脳を持っているのだから、また何かやってのけるだろうと思われていたのです。
みんな、次は何なのか知りたがりました。

電磁気力

しかし、アインシュタインは満足していませんでした。さらに大きな目標があったからです。新しい重力理論を、当時知られていた別の力、電磁気力と統一しようと考えていたのです。電磁気力は、電気の力と磁気の力を合わせたもので、すでに一つの力として統一されていました。

サミュエル・モールス

TELEGRAPH（電信）

電気と磁気のあいだに何らかの関連があることは、19世紀から知られており、サミュエル・モールスは、それを利用して電信機を発明しました。電気信号が電線を伝わって、何千キロも離れた場所にある磁石に送られ、おなじみのモールス信号を打ち出します。どんなに遠くても、伝言は一瞬にして届きました。電信は大評判となりましたが、科学的な原理はわかっていませんでした。

ジェームズ・クラーク・
マクスウェル

初めて電気の力と磁気の力を統一しようと考えたのは、スコットランドの科学者、ジェームズ・クラーク・マクスウェルでした。

稲妻が走ると、
磁石は激しく回転する

雷雨のとき、山の上にいたことがあれば、電気と磁気にどれほど密接な関係があるか、わかるはずです。稲妻のような激しい放電が起こると、磁場ができます。これは、磁石で確かめることができます。

電気と磁気の関係に注目したマクスウェルは、二つの関係を、数学で説明することを試みました。そして、4つの方程式を考え出します。電気と磁気は、電磁気力と呼ばれる、一つの力に統一されました。宇宙の統一理論へ向けての、大きな一歩でした。

ジョゼフ・ポルチンスキー　カリフォルニア大学サンタバーバラ校

異なる現象が結び付けられたのは、実にすばらしいことです。
これも、電気と磁気とはいえ、基本的な法則で、様々な現象が説明できる例です。

ウォルター・H・G・レヴィン　マサチューセッツ工科大学

考えてみてください。
電気と磁気に関して考えられる、ありとあらゆることが、4つの非常にシンプルな方程式に書かれているんです。
信じられないでしょう？
実に、エレガントです。

ピーター・ギャリソン　ハーバード大学

アインシュタインは、マクスウェルの業績を、物理学の歴史における大きな勝利だといって、高く評価していました。

アインシュタインは、自信に満ちていました。もし、自分の新しい重力理論と、マクスウェルの電磁気力を統一することができれば、宇宙のすべてを説明できるマスター方程式が見つかるのではないかと考えたのです。

S・ジェームズ・ゲイツJr.　メリーランド大学

宇宙には、全体に共通する重大で美しいパターンがあると、アインシュタインは信じていました。
なぜアインシュタインが統一理論を求めていたかというと、それは、神の心を知りたいと真剣に願う、物理学者の一人だったからです。
つまり、全体像が知りたかったのです。

今日こんにち、宇宙の統一理論として最も有力なのは、ひも理論といわれています。宇宙の誕生から、銀河の壮大な渦巻きに至るまでを、ただ一つの方程式で表すことは、はたして可能なのでしょうか。

ニュートンは、重力理論で天と地を統一しました。

マスクウェルは、電気と磁気を統一しました。

そしてアインシュタインは、自分の新しい重力理論を、電磁気力と統合させれば、宇宙のすべてを包み込む、統一理論への道が開けると信じていました。

アマンダ・ピート　トロント大学

アインシュタインには、そう考える根拠がありました。重力の伝わる速度が、光の速度と同じとされている、物理的事実です。
重力と電磁気力との間に、何らかの調和が存在する可能性があります。

重力と電磁気力統合の試み

ところが、重力と電磁気力を統合させようと研究を始めると、力の差が大きすぎて、どうしてもバランスが取れないのです。どういうことかお見せしましょう。

重力は、強い力だと思ってますよね。
まぁとにかく、私が今ここに立っていられるのも、重力があるからです。
ところが、実際には電磁気力と比べると、重力はものすごく弱いんです。
それを証明するために、簡単な実験をしてみましょう。
ここから飛び降りてみます。
私が言った意味が、わかりますよ。