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大栗博司が語る「ミクロの限界」と宇宙の終わり：重力と量子力学を統合すると何が意味を失うのか

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概要

経済学者の成田悠輔がホストを務める対談番組に、理論物理学者の大栗博司が出演した。成田が最初に投げかけたのは、宇宙の始まりと終わりについての問いである。その答えを探るうちに、話はミクロの世界で位置が確定しないという議論に進んだ。本記事で扱う後半部分では、この流れを受けて大栗が三つの論点を語る。重力と量子力学を統合すると「より小さな世界」という考え方そのものが成り立たなくなること、宇宙の終わりはダークエネルギーの性質を調べれば原理的に予測できること、そしてこうした基礎研究が人間の生活とどう結びつくかである。

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高いエネルギーほど位置が正確に分かる

大栗はまず、量子力学における測定の考え方を振り返る。物の位置や形を調べるには、波を当てて探る必要がある。波長が長いと、山と谷の間の空間を区別できず、物がどこにあってどのくらいの大きさなのかはぼんやりとしか分からない。成田は、細かい波長のほうが細かいものに当たって区別できるということかと確かめ、大栗はそれを肯定した。

波長を短くするにはエネルギーを高くしなければならない。したがって、エネルギーを上げ続ければ位置も物の形もいくらでも正確に分かるはずだ、と考えたくなる。大栗によれば、ここまでが量子力学の世界の話である。

重力を入れるとブラックホールができてしまう

この話は、重力の影響を加えると変わってしまう。大栗はここでアインシュタインの E=mc² を持ち出す。一般向けの解説書では式を一つ書くたびに読者が半分になると言われるが、この式だけは書いてもよいとされている、と冗談を交えながら、エネルギーと質量は同じものだという意味を説明した。

エネルギーを高くするほど、その場所には大きな質量が集まることになる。番組の前半で大栗は、小さな領域に大量の質量が集まるとブラックホールができると説明していた。それを踏まえると、ある程度以上エネルギーを上げれば、観測しようとしている場所にブラックホールができてしまう。現在の加速器のエネルギーではそうはならないが、「究極の加速器」を作ったと仮定する思考実験では、この結論が避けられないという。

ブラックホールの周りには事象の地平線(イベントホライズン)ができる。大栗は映画『インターステラー』にも出てくると触れたうえで、そこより内側に入ったものは外に情報を伝えられないと説明した。つまり、内側のことは不確定という以上に、まったく分からなくなる。さらに、ブラックホールの直径はエネルギーに比例して大きくなる。位置を正確に知ろうとエネルギーを上げて波長を短くしてきたのに、ある段階を超えるとブラックホールが生じ、その内側が見えなくなってしまうのである。

このため大栗は、重力と量子力学を統合すると位置が本質的に不確定になると述べる。ある距離より小さなことは、物理学的に意味のない概念になるということだ。

「観測できないものは存在しない」という物理の考え方

大栗は、この結論の背景にある物理学の基本姿勢も説明した。どんな思考実験を考えても観測する方法が作れないものは、存在しないとみなす。だから、地平線の内側の狭い世界で何が起きているかを議論しても意味がない、というのが大栗の立場である。

これには大きな含意がある。物理学はこれまで、よりミクロな世界に進むことで、より深い基本法則を見つけようとしてきた。大栗はこの歩みを「過去400年」と表現し、重力と量子力学が統合されれば、少なくともミクロに向かう方向ではそれより深い理論はない、と語った。統合がいつ実現するかについて、大栗は番組の前半で長い年月を見込んだ数字を挙げていたようで、ここでも「今から2000年」といった時間の単位に触れている。

大栗は、子どもの頃に誰もが抱く疑問を例に挙げた。物や体を刻み続けたら、いつか刻み終わるのか。どこかに最小の単位があるのか、それとも世界はどこまでも連続なのか。重力と量子力学の性質から考えると、この問いの立て方自体があまり意味を持たなくなる。大栗はこれを「宇宙の玉ねぎ」にたとえた。皮をむいていくと芯があり、それ以上はむけず、それより小さな世界はない。ただし大栗は留保もつけている。理論が完成すれば、そこからさらに深い方向があるかもしれない。また、この「芯」は「これが最初の粒です」と言えるような最小の粒子があるという話とは違う、とも述べた。

時間も同じように不確定になり、宇宙の始まりの問いが意味を失う

ここで話は成田の最初の質問、つまり宇宙の始まりと終わりに戻る。相対性理論は時間と空間を同じように扱う。そのため、空間で起きる問題は時間でも起き、時間という概念も同様に不確定になる。

大栗によれば、ビッグバンの世界は非常に高温・高密度で、時間を遡るほど密度が高くなる。するとある時点で、いま説明した現象が問題になる。そこまで行くと「今何時か」「今どこにいるか」という問いすら意味を持たない。したがって、それより前に宇宙があったのかなかったのかという問いも、その段階で意味を失う。

成田はこれを受けて、そもそも時間や空間という素朴な概念自体に意味があるのかと問い返した。自分の最初の質問は、日常的な時間の流れを思い浮かべて「宇宙の一生」を想像したものだった。しかし突き詰めると、その質問の前提にある時間や空間の考え方そのものが危うく見えてくる、という指摘である。大栗はこれに同意した。空間や時間は、少なくとも現在の宇宙を理解するには便利な枠組みである。しかし宇宙の始まりのような極限状況で意味のある概念かどうかは別の問題であり、いまの議論はそうした概念が具体的に意味を失いうることを示している、と説明した。

宇宙の終わりはダークエネルギー次第

では宇宙の終わりはどうか。大栗の答えは「まだ分からない」である。宇宙がどう膨張し発展していくかはアインシュタイン方程式で決まる。この方程式は、空間や時間の変化を、その中にある物質やエネルギーで説明する。現在の宇宙の進化を決めるうえで重要な要素はダークエネルギーだが、その性質はまだ完全には分かっていない。そしてその性質によって、宇宙の今後が変わる。

大栗は二つのシナリオを挙げた。一つは、宇宙がこのまま膨張を続け、銀河同士の距離が離れ、それぞれの銀河の中の星もしだいに死んでいき、非常につまらない世界になるというものだ。成田はこれを「孤独みたいな世界」と言い換え、大栗はこれがおそらく最もありそうな未来だと述べた。もう一つは、ダークエネルギーの性質によっては膨張が収縮に転じ、ビッグバンのような高温・高密度の世界になって終わるという可能性である。ただし大栗は、普通想定されるダークエネルギーの性質からはありえないだろうと考えている。

遠くを見ることは過去を見ること

どのシナリオが正しいかを知る方法は、原理的には存在すると大栗は言う。現在の宇宙はアインシュタイン方程式で理解できる状況にあるので、ダークエネルギーの性質さえ分かれば、それを未来へ延ばして結果を知ることができる。そしてダークエネルギーの性質は、宇宙のこれまでの進化を詳しく調べれば分かる。

大栗は、宇宙が膨張している最初の証拠としてハッブルの観測を挙げた。遠方の銀河ほど速く遠ざかっており、少なくとも当時の観測精度では、遠ざかる速度が距離に比例していた。ここで重要なのは、遠くの天体の光ほど地球に届くまでに時間がかかるという点である。より遠くの天体の後退速度を測れば、過去に宇宙がどれほどの速さで膨張していたかが分かる。

大栗はこれを歴史研究と比べた。歴史学者は過去を直接見ることができず、古文書を読んだり、さらに古い時代なら石を調べたりする。一方、天体物理学は過去の光を受け取るので、過去を直接見ることができる。望遠鏡の精度を上げて遠くを見るほど、より昔のことが分かる。

その例が、大栗が「一昨年アメリカが打ち上げた」と紹介したジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)である。これを使うと、宇宙で最初期にできた星や銀河が見える。大栗の説明では、星ができたのはおそらく宇宙誕生から数億年後で、その頃の非常に早い星が観測できるという。

大栗はボードに図を描きながら説明を続けた。横軸を宇宙の年齢、縦軸を宇宙のサイズとして、過去の膨張がどう変化してきたか、つまり膨張の加速度がどうなっているかを調べ、アインシュタイン方程式と照らし合わせる。そうすればダークエネルギーの性質がより詳しく分かり、現在から先の曲線がどちらへ向かうかも分かる。JWSTのような観測を行う理由の一つは、過去のダークエネルギーの性質を調べることにある、と大栗は語った。さらに、ダークエネルギーの性質は超弦理論を使って予言できる可能性もあるという。理論的な考察と観測による検証を組み合わせれば、将来のことが分かるというのが大栗の見通しである。

大栗は、過去に比べて将来のほうが割と分かると付け加えた。これからの宇宙ではアインシュタイン方程式が成り立つので、ダークエネルギーの性質さえ分かればよい。一方、宇宙の始まりの側は、量子力学と重力の統合が本当に分からないと理解できない。

マクロの方向に限界はあるのか：修正重力理論の否定

成田は次に、ミクロ方向の限界を聞いたうえで、逆に大きい方向の限界はどうなのかと尋ねた。世界で一番大きなものは膨張している宇宙そのものなのか。それとも、その宇宙を包み込む外側の世界を考える意味はあるのか。

大栗は、そうしたことを考えている人はいるとしながらも、観測で検証できないことには意味がないと答えた。人間は約138億光年より先を見ることができず、その境界を宇宙の地平線と呼ぶ。その先に全然違うドラゴンが住んでいるという理論を作っても検証しようがないので、考えない、という立場である。

一方で、大栗が面白い可能性として紹介したのが、ミクロに行くと理論が深くなるように、マクロに行くと理論が変わる可能性はないか、という発想だ。ダークマターについて最も標準的な考え方は、既知の原子とは別の未知の物質が存在するというものである。これに対し、アインシュタインやニュートンの重力理論は少なくとも太陽系の中で観測・検証されてきた理論にすぎないのだから、もっと遠くでは長距離で重力の理論が変わるのではないか、と考える人たちがいる。これが修正重力理論(モディファイド・グラビティ)である。ただし大栗によれば、最近の精密観測でその大半は否定されている。

その決め手になったのが重力波だった。大栗は、長距離で重力を変更すると、重力波の速度と光の速度が一致しなくなる点が重要だと説明する。その前提として、マクスウェルの話が紹介された。マクスウェルは電気と磁気を統合して電磁場の理論を作り、そこから電磁波が予言された。その速さが光の速さと同じだったことで、光と電磁場が統合された。同じようにアインシュタインも、一般相対性理論を作った際、電磁波のようなものが重力にもあるのではないかと考えた。重力場が重力を伝え、それが波となって宇宙を伝わっていくもの、つまり重力波を予言したのである。

重力波は何十年も前に間接的には検証されていた。そして大栗の説明では「ちょうど10年ちょっと前」に、大栗が所属するカリフォルニア工科大学とMITが共同で進めてきたLIGOという重力波望遠鏡によって直接観測された。最初に捉えたのはブラックホールの合体で生じた重力波だった。その後、中性子星という重い星同士が合体する現象も観測された。この場合は重力波と同時に光も出る。はるか遠方で起きた現象なので、重力波が地球に届いた時刻と、合体で生じた光が届いた時刻を比べれば、両者の速度の違いが分かる。結果はぴったり同じで、大栗によれば、これで修正重力理論のかなりのものは「死んだ」。

大栗はこの結果を踏まえ、マクロの方向に進んで既存理論を修正するのは難しい筋であり、より基本的な法則はミクロの世界に行くことで修正されるという方向で研究が進んでいる、と述べた。ただし留保も添えている。この話は、宇宙のどこでも同じ法則が成り立つとするコペルニクス原理を前提にしている。遠くの世界がまったく違う世界になっている可能性を否定することはできない。しかし、そうした仮定を置いてもほとんど何も言えない。コペルニクス原理に立てば既存の知識から宇宙を予言でき、それを検証できる。科学はそのようにして進んできた、というのが大栗の説明である。

生命や知性は宇宙論のどこに入るのか

番組の終盤、成田は、そもそもこんなことを考えている大栗は何者なのか、という問いを投げかけた。今日の話は、極小から極大までのスケールで異なる力や法則を統合するというものだった。そこでは、1〜2メートルの肉体と日常が押しつけてくる直感や常識をどう乗り越えるかが一つのテーマだった。しかし、それを考えている人間自身は、その日常のど真ん中のスケールで生きている。そこで生命が生まれ、知性が立ち上がっている。今日の話のどこに、生命や知性が生まれることが入ってくるのか、と成田は尋ねた。

大栗の答えは「直接には入ってこない」だった。これもコペルニクス原理の一側面であり、地球やその上の生命、そこから進化した人類は、宇宙の中で中心的な役割を持っていない。大栗は、ここ400年の科学の進歩は人間の存在をだんだんダウングレードしてきたと語る。かつて人間は神の子であり宇宙の中心だと考えられていたが、いまは宇宙の進化の偶然の中で生まれたものだと考えられている。生命や進化がどう起きたかを研究する分野はあるが、それは自分の専門ではない、とも断った。そのうえで、偶然生まれた人間が宇宙の始まりや未来、ミクロの世界まで理解できるのは素晴らしいことだと述べた。

成田が、人間や人間の知性そのものに特別で神秘的な意味はないということかと確かめると、大栗は「ないと思いますね」と答えた。さらに大栗は、番組前半で「2250年経てば統合できる」と言ったことについて、それは楽観的な見方で、できる保証はないと付け加えた。

大栗はここで自宅の犬を例に出した。犬は冷蔵庫の中に食べ物があることは知っているが、冷蔵庫がなぜ冷たくなるのかは絶対に分からないだろう。犬の知性には限界がある。人間の脳も進化の偶然でできたものなので、おそらく同じように壁があり、その先は分からないだろう、と大栗は考えている。したがって、量子力学と重力を統合して究極の統一理論を作るという目標が、人間の脳で達成できるかどうかは明らかではない。

解けるかどうか分からない問題を研究する意味

成田は最後に「しょうもない政治家みたいな質問」と前置きして尋ねた。解けるかどうかも分からない問題を研究して何になるのか、と言われたらどう答えるのか。

大栗は答えが三つあると述べた。一つ目は、宇宙には最も深い真実があり、人間がそれを知ることができるということ自体が素晴らしい、という点である。これは精神的な価値であって、実利的なものではないと大栗自身が認めている。

二つ目は、より実利的な価値である。こうした研究は人間の知のフロンティアであり、宇宙の科学的理解の最先端として、既存技術の極限を狙う。そこから思いがけない形で新しい技術が生まれることはよくあるという。大栗は例として、がん治療などに使われる陽子線をはじめとする放射線技術がこうした研究から生まれたこと、日常的に使われるワールド・ワイド・ウェブも、ヨーロッパの巨大加速器研究所CERNで何千人もの基礎科学の研究者が情報をやり取りするために作られたことを挙げた。最近のAIについても、研究者の多くは理論物理学や数学の基礎研究をしていた人たちだという。技術革新は戦争がもたらすとよく言われてきたが、技術革新のために戦争をするのは問題がある。それに対し、こうした研究は無害なまま技術革新をもたらす、と大栗は評価した。

成田は、日常生活のあらゆるものが今日の理論を使っており、GPSやGoogleマップも相対性理論がなければ使い物にならないと応じた。大栗はこれを受けて、思いがけない発展は基礎研究があって初めて起きるのだと述べた。すでにある科学だけを使い続けるのは化石燃料を使うのと同じで、いずれ枯渇してしまう。だから新しい知識を蓄え続ける必要がある、という考え方である。

成田が、今後の理論がどんな技術や生活につながるか想像することはあるかと尋ねると、大栗はそうした想像はしないと答えた。ただ、三つ目の論点として数学を挙げた。こうした理論は既存にない数学を作っていく。高校や大学で習う微分積分も、もともとニュートンが運動の方程式を作るために考え出したものだった。物理と数学は相性がよく、物理のより深い理論を作ることで新しい数学が生まれることもある、というのが大栗の説明である。

熱力学の第2法則と二酸化炭素回収の限界

大栗は、物理の基本法則が思いがけない形で日常生活に重要になる例として、熱力学の第2法則を詳しく取り上げた。この法則は、19世紀初めの物理学者カルノーが、内燃機関がどのくらい効率よく動けるかを考える中で生まれた。エンジンの効率の原理的な限界を示すものである。

大栗によれば、現在普通に走っているセダン車の効率は、第2法則が許す限界の2割程度だと言われている。1世紀かけて改良してもその程度である。効率を5倍にすることはぎりぎりできるかもしれないが、100倍にすることは理論的にできない。第2法則は、こうした技術的なベンチマークになるという。

大栗はさらに、この法則が気候変動対策にも関わると指摘した。大気中の二酸化炭素が地球温暖化の原因とされ、それを回収する技術が多く研究されている。しかし第2法則から計算すると、1トンの二酸化炭素を回収するにはおよそ10万キロカロリーのエネルギーが必要で、それより少ないエネルギーで回収することは理論的にできないと大栗は説明する。それを下回ろうとするのは、第2種永久機関を作ろうとするのと同じくらい不可能だという。

大栗の試算では、人類はさまざまな活動によって年間およそ350億トンの二酸化炭素を出している。これに1トンあたり10万キロカロリーを掛けると、約3500兆キロカロリーになる。これは、人類が現在消費している電気エネルギーの2割ほどにあたるという。つまり、いま放出している二酸化炭素をすべて回収しようとすれば、人類が作っている電気の2割をそれに充てなければならない。成田は、電気を作る際にも二酸化炭素が出るのだから実際の効率はさらに低くなると指摘し、大栗も同意した。しかも、エンジンの例が示すように、実際の技術は1世紀かけても第2法則の限界の2割程度の効率しか出せていない。大栗は、だからこれは難しいと述べ、物理の基本法則がこうした問題にも深く関係していることを強調した。

科学への信頼をどう作るか

最後に成田は、この価値をどうすれば人々に伝えられるかと問うた。一見暗号のような数式やモデル、つまり人類が数千年かけて考えてきた取り組みが、巡り巡って人間の生活や産業のあらゆるものを形づくっている。しかし、そのことを少しでも認識している人は1%ぐらいではないか。自分では直接理解できなくても、そうしたものなしには今の生活や社会が成り立たない、という信頼を科学や技術に対して作り出すにはどうしたらよいのか。

大栗は、日本はアメリカなどに比べれば科学者への信頼度が高いと思う、と答えた。成田は、今のアメリカの状況を見るとそんな気もしてくるが、日本でさえまだまだだと感じると返した。そのうえで、研究の現場をそのまま届ける番組が少しでも増えればよいと考えて今回の回を設けた、とこの対談の意図を語った。

番組は、成田が「ブラックホールから現れた大先生に、向こう2000数百年間の研究計画について伺った」とまとめ、次回は2000年後にと冗談を向けて終わる。大栗も、理論が完成したら一緒にそれを検証しましょうと応じた。量子力学と重力の統合がいつ、そもそも人間の脳で達成できるのかという問いは、大栗自身が保証はないと認めたとおり、未解決のまま残されている。

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