現実とは何か?

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何度も半分に切り続けたらどうなるんやろ? りんごから始めてみましょか。めっちゃ鋭いナイフを持って。ナイフを手に取って、華麗に振り下ろすと、りんごはきれいに2つに切れます。半分になったりんごをさらに4等分、8等分と切り進めていきます。目の前には、どんどん小さくなっていくりんごの白い果肉の破片が並びます。
14回目の切断で、規則正しい長方形のパターンが現れて、りんごの滑らかな果肉が植物細胞の集まりでできていることに気づきます。切り続けると、細胞はどんどん小さくなっていきます。さらに8回切ると、細胞は炭素、水素、酸素の複雑な分子になります。もう数回切ると、りんごだったものは10の27乗個の原子になります。そこで止まります。
これで終わりなんでしょうか? もう切れへんのでしょうか? でも、あなたのナイフはめっちゃ鋭いんです。原子を切り始めると、電子の雲をはがして、中の空虚さが見えてきます。ほぼ空っぽですが、中心には原子核があります。最初のりんごの100兆分の1よりも小さいです。でも、あなたは怖気づかずに切り続けます。原子核は陽子と中性子に分かれ、陽子と中性子はクォークとグルーオンに分かれます。あなたは原子以下の世界、ファジーな確率に支配された世界に入り込みます。りんごは場の海の上のただの波になってしまいました。
これが限界のように思えます。宇宙の基本的な部分に到達したように。でも、もっと先があると考える人もいます。100回以上切ると、点状のクォークと電子が、余分な次元を振動する弦として現れるかもしれません。1兆分の1の1兆分の1の1兆分の1メートルほどの大きさです。
この辺りになると、空間と時間さえも切れない基本的なブロックになっているかもしれません。あるいは、現実のあらゆる痕跡が消えて、宇宙が超次元のコンピューターでシミュレーションされていることがわかるかもしれません。あるいは、3次元の存在が幻想で、私たちの知っているすべてがホログラムだとわかるかもしれません。
もっと奇妙なことに、底の底まで行くと、ただの生の数学かもしれません。でも、どれが本当なんでしょう? どうやって確信できるんでしょう? 現実を理解するには、宇宙を解剖して、非常に難しい質問をしないといけません。
りんごは...本物なんでしょうか? 持てるし、匂いも嗅げるし、味も感じられる。日光に照らされた皮の緑色も見える。りんごは間違いなく本物に違いありません。でも、本物であるってどういう意味なんでしょう? そもそも現実とは何なんでしょうか?
アイザック・ニュートンは、本のページに特別な方法でしおりを挟んでいました。覚えたいフレーズや単語の上に、ページの角を折り曲げていたんです。もちろん、彼は集中しやすかったでしょう。無限にスクロールしてしまうスマホに気を取られることもなかったんですからね。
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私たちの本当に古い祖先にとって、現実は明らかだったに違いありません。アフリカの平原から北ヨーロッパの雪原をさまよう人々まで、現実は目や耳、触れたり味わったりして感じるものでした。現実は単にそこにあるものでした。森の中で枝が折れる音は、次の食事が近づいているサインかもしれませんし、より大きな歯と鋭い爪を持つ獣の餌食になる危険があることを警告しているかもしれません。現実を感じ取ることは生死にかかわる問題でした。
おそらく、日々の苦闘の中で、この本当に遠い祖先たちには、あまり深く考える時間がなかったんでしょう。周りの世界について深く考える時間はほとんどなかったと思います。
しかし、人間の心が発達し、思考が広がるにつれて、現実の本質も変化したに違いありません。人類が約10万年前から死者を埋葬し始めたことがわかっています。愛する人々を見送るときに何を考えていたのか、私たちには決してわかりませんが、おそらく現実を超えた世界、来世のことを考えていたのかもしれません。
これらの儀式は人間の思考について洞察を与えてくれます。目に見えるもの、耳に聞こえるもの、鼻で嗅げるもの以上のものが現実にはあるということです。精霊や神々、目に見えないけれど力強い影響力についての考えが生まれ始め、意味や目的についての疑問も出てきました。
神々はりんごも与えてくれました。食べるおいしい果物を私たちに与えてくれたんです。りんごの現実についてこれ以上疑問を持つ必要はありませんでした。答えは人間の心の及ばないところにあり、神々の思考の中にしか見出せないものでした。
プラトンは古代世界の最も偉大な哲学者の一人でした。紀元前4世紀のアテネに住んでいましたが、本名はアリストクレスで、プラトンはあだ名でした。プラトンは「広い」という意味で、どうやら彼のがっしりした体つきを指していたようです。
物質世界はプラトンを悩ませました。物体はどこからその物質的特性を得ているのでしょうか? りんごの皮の緑色や、犬が4本足を持っていることなど。プラトンは、私たちの世界は本当の世界ではないと主張しました。これを理解するには、彼の有名な洞窟の比喩を探る必要があります。
プラトンは深い洞窟のことを考えるように言いました。この洞窟の中で、囚人たちが壁を見つめるように鎖でつながれています。囚人たちはずっとそこにいて、外に出たことがなく、本当の世界を経験したことがありません。囚人たちに見えるのは、目の前の洞窟の壁だけです。そしてその壁に、影が見えます。これらは洞窟の入り口から差し込む日光によってできたもので、洞窟の入り口で人々が日常生活を送る様子が影として映し出されています。彼らが決して経験できないことの影像です。
彼らはこの外部の現実、かろうじて見える現実をどう理解すればいいのでしょうか? 本当の世界をどうやって理解すればいいのでしょうか? でも、さらに進んで考えてみましょう。もし彼らが見ているのが、洞窟の入り口の向こうの現実の影ではないとしたらどうでしょう?
もし代わりに、いたずら好きな人たちが洞窟の入り口を塞いで、囚人たちの壁を明るい火で照らしているとしたらどうでしょう? この光で、その人たちは囚人たちと心理ゲームをすることができます。影絵を使って壁に物語を演じることができるんです。
囚人たちはもはや単に洞窟の入り口を通り過ぎる人々を見ているのではありません。今や彼らは怪物や戦い、城や王様の物語を見ることができます。囚人たちはこの新しい現実をどう受け止めるのでしょうか? これは以前よりも現実味が薄いのでしょうか? 彼らにとっては、この壁の映像が現実であり、他には何もないのです。だから、これらの新しい興味深い物語は、以前に影の人々がうろつくのを見ていたのと同じくらい現実的なのです。彼らにとっては、怪物や戦いは本当に実在するのです。
プラトンは、私たちが囚人のようなものだと考えるよう求めています。そして、私たちが毎日経験する現実は、真の現実が繰り広げられる場所の投影だと言います。私たちの不完全な世界は、完璧なものの揺らめく映像なのです。プラトンにとって、私たちの経験は真の現実の影に過ぎません。
今の私たちの知識を考えると、これは不思議なほど先見の明がありました。しかし、現実の物語にとって、これは始まりに過ぎませんでした。宇宙の秘密を明らかにし、宇宙の本質の究極の真実を解き明かすには、物質、時間、空間の根本的な構成を深く掘り下げなければなりませんでした。そうすると、科学的探求によって得られた現実に対する洞察に目を向けることになります。そして、そうしたとき、物事は急速に非常に奇妙になりました。
「...哲学は天使の翼を切り取り、
規則と線によってすべての神秘を征服し、
...虹をほどく...」
1821年の最初の数ヶ月、詩人ジョン・キーツはローマで亡くなりました。彼はまだ若く、25歳でしたが、結核という病に体を蝕まれていました。短い人生でしたが、彼は多作で、私たちの周りの自然の美しさについて書きました。多くの人と同じように、彼も死後になって初めて本当に認められました。
キーツはアイザック・ニュートンの死後約70年に生まれました。それは産業革命の時代で、その革命はニュートンの自然界に対する洞察によって推進されていました。ニュートンとその同時代人による科学革命は、現実の表面を剥がそうとしていました。そして、現実を物理法則の作用の表れに過ぎないものとして明らかにしようとしていました。
そして最終的に、ニュートンは太陽の白色光にはすべての虹の色が含まれていることを理解しました。そして、空中の水滴が太陽光を赤から紫までの見事な色彩に広げているのです。
自然の真の不思議の一つである、一見神秘的な現象が、キーツが不平を言ったように、ニュートンによって単なるプリズムに還元されてしまったのです。キーツの言葉を借りれば、ニュートンは虹をほどこうとしたのです。
ニュートンの勝利はキーツの嘆きだったかもしれません。でも、ニュートンが光の性質をほどき始めたとき、彼は現実の本質を剥ぎ取ってその骨格を露わにするという長い科学の伝統の先駆けとなったんです。
もう一度りんごのことを考えてみましょう。もちろん、熟したりんごの特徴の一つは、カラフルな皮です。でも、この色はどこにあるんでしょう?
りんごは水、糖分、そしてもっと複雑な構造物の複雑な混合物でできています。じゃあ、なぜりんごが緑色に見えるんでしょうか? この質問に答えるには色の意味についてもっと深く掘り下げる必要があります。そして、その話は「すべてを知っていた最後の人」から始まります。
トーマス・ヤングは1773年、イングランドのサマセット州の小さな町ミルヴァートンで生まれました。子供の頃から天才ぶりを発揮し、フランス語、ギリシャ語、イタリア語、ラテン語、アラム語、ペルシャ語などを学びました。そして、ロゼッタ・ストーンが発見された直後に、エジプトのヒエログリフの解読に貢献しました。
皆さんの中には、ヤングの名前をすでに聞いたことがある人もいるかもしれません。トーマス・ヤングは、有名な二重スリット実験を最初に行った人物だからです。この実験は、多くの量子力学の解釈の中心にあります。後ほど、ヤングの二重スリット実験に戻ることにしましょう。
画家たちは、色のついた絵の具を混ぜると新しい色ができることを知っていました。そして、赤、緑、青の3色が特に重要であるようでした。ヤングは、目には3種類の繊維があると提案しました。私たちが現在、錐体細胞と呼んでいる繊維です。一つは赤に、もう一つは緑に、そしてもう一つは青に敏感なのです。
それぞれの細胞がどの程度刺激されるかが視神経を通って脳に伝えられ、そこで絵の具のように混ぜ合わされて、色の感覚を生み出すのです。
しかし、他の動物の目を見てみると、事態は奇妙になります。私たちに最も近い親戚である旧世界のサルは、私たちと同じように3つの色帯に敏感です。しかし、ほとんどの哺乳類は2つしかありません。私たちの青と緑に相当するものです。これは彼らの色彩パレットを減少させているはずです。バナナを黄色く見るのでしょうか?
ミツバチは3つの色受容体を持っていて、1つは青に、もう1つは緑に、そしてもう1つは紫外線に敏感です。爬虫類、魚類、鳥類は4つ以上の色受容体を持つことがあります。小さくて激しいシャコは、虹全体に広がる合計12の受容体を持っています。これらの動物は、私たちには想像もつかないような色彩の世界を見ているに違いありません。
では、この動物の視覚の混乱した配列から何を学べるのでしょうか? 人間にとって、虹の黄色はバナナの皮から刺激される信号と一致します。しかし、他の生き物はおそらく同意しないでしょう。彼らにとっては、イチゴやブロッコリー、人間の肌がバナナと同じ色に見えるかもしれません。
これは現実の本質について深いことを教えてくれます。私たちの視覚は、脳が作り出した現実の影に過ぎません。それは主観的なものであって、客観的なものではありません。私たちは自分自身で作り出した視覚的シミュレーションの中に生きているのです。脳に送られる刺激から構築されています。
ニュートンは水滴と太陽光について教えてくれましたが、虹の色は私たちの心の中にしか存在しないのです。
私たちが聞く音も同様に幻想です。空気中の圧力波による鼓膜の振動を脳が解釈したものに過ぎません。すべては主観的なものです。私たちは自分自身で作り出したバーチャルリアリティの中に生きているのです!
では、私たちが知覚しているものが真の現実ではないとしたら、何が現実なのでしょうか? 感覚によって伝えられる情報を信用できないとしたら、どうやって宇宙の本質を構築すればいいのでしょうか? まあ、少なくとも空間と時間は信頼できるでしょう。少なくともりんごは今ここにあります。それは確かなことです。
...それとも違うんでしょうか?
ニュートンとヤングに続く革命の中で、現実のどの部分も安全ではありませんでした。
過去の時間は今日よりもゆっくりと進んでいました。そして2023年、天文学者たちは、それがどれくらいゆっくりだったかを測定しました。彼らの焦点は120億年前のクェーサーでした。太陽の質量の何十億倍もの質量を持つブラックホールです。
これらのブラックホールの強烈な重力の中で、物質は光速に近い速度で周回しています。この物質は数十億度まで加熱され、強烈に輝き、宇宙全体から見ることができます。しかし、ブラックホールに消えてしまう前の乱流の渦の中で、物質はぶつかり合い、摩擦を起こします。そして、強烈な光は宇宙の花火のようにパッと明るくなったり暗くなったりします。
この明滅の中に、天文学者たちは微妙なパターン、特別な規則性を見出しました。そして、このクェーサーの刻みを使って、宇宙が若かった頃の時間の経過を測定できることに気づいたのです。
これらの天文学者たちは、今日の時計の刻みとこれらのクェーサーの刻みを比較しました。クェーサーが遠ければ遠いほど、クェーサーの刻みがどんどん遅くなっていることがわかりました。そして、宇宙が現在の年齢の10分の1だった頃、今日に比べて相対的に時間は現在の速度の5分の1の速さで進んでいたのです。
この結果は驚くべきものでした。しかし、予想外のものではありませんでした。この宇宙の膨張は、1世紀以上前に開発された理論の数学的法則に書き込まれていたからです。この理論は、永遠に時間と空間の現実を変えてしまった理論です。
「我思う、ゆえに我あり」
これは、フランスの哲学者ルネ・デカルトが発した有名な言葉です。そして、この存在の現実についての深い思索は、何世紀にもわたって響き渡ってきました。しかし、デカルトは存在の意味以上のものを見つめていました。
1619年のある夜、デカルトは寒さを避けるために小さな部屋に閉じこもりました。オランダのプロテスタント国家のために傭兵として戦っていた彼は、工学と数学を学んでいました。しかし、この寒い夜は他の夜とは違っていました。
話によると、デカルトは病床に伏せていて、部屋の中をぼんやりと見回していました。彼は天井を歩くハエを見つけました。そのハエは飛び立ち、あちこちを飛び回って、壁に止まりました。
ハエが天井から壁へ、そしてまた戻るように飛び回っているのを見て、デカルトの頭に一つの考えが浮かびました。ハエの軌跡をどのように記述できるだろうか?
彼は、ハエの動きを固定するための基準点が必要だと気づきました。そしてこの点は任意ですが、一貫性を保ち、変更してはいけません。また、この点からハエまでの距離を話すだけでは十分でないことにも気づきました。距離に加えて、ハエの方向も必要です。ハエの動きを完全に記述するためには。
そして、デカルトに驚くべき考えが浮かびました。ハエの動きを単純化する考えです。
基準点として、デカルトは部屋の隅、2つの壁が天井と交わる点を選びました。この点から、デカルトは接合部に沿って線が走っていると想像しました。これらの線は隅で直角に交わる軸を定義しています。
もしハエの位置をこれらの軸のそれぞれに投影すれば、デカルトは推論しました。そうすれば数字が得られます。そして、任意の瞬間にハエの位置を特定するのに必要なのは、これら3つの数字なのです。
3次元空間の位置を一意に定義する3つの数字。時計の刻みとともに連続的に変化する3つの数字。
デカルトの座標系は今日の私たちには当たり前のように思えます。とても普通のことです。子供たちは小学校の理科で位置や運動を学ぶときにこれを教わります。専門の科学者にとっては、デカルトの座標系を設定することは解決策を見つけるための出発点です。デカルトの名前は何世紀にもわたって響き続けています。
1650年に亡くなったデカルトは、イギリスの田舎で育っていた若い少年のことを知りませんでした。この少年、アイザック・ニュートンは、これらの時間と3次元空間の概念を使って成長し、すべての運動が行われる数学的舞台としてこれらを設定しました。古典力学と呼ばれる規則を定めたのはアイザック・ニュートンでした。
ニュートンの宇宙では、時間は真の絶対値です。宇宙全体を刻む単一の時計で、誰もがその刻みに同意します。空間はもう少し複雑で、デカルトの同時代人ガリレオが発見したように、各観測者は自分の座標系の原点を自由に定義できます。
ガリレオは、デカルトやニュートンの数学よりも物語の観点から考えることが多く、船上にいることを想像して運動の概念を説明しました。
彼は、船が港にいるか、あるいは鏡のように滑らかな海の上を静かに航行している場合、甲板下の経験は同じだということに気づきました。しかし、風が強くなって船が加速し始めたり、荒波に乗って船が揺れ始めたりすると、甲板下の人々はこの動きの変化を感じるでしょう。皿や食器が机から滑り落ち、人々は足元がふらつくようになります。
これから、ガリレオは宇宙には絶対的な静止状態はないはずだと宣言しました。すべての運動は相対的であり、運動の法則は加速されていない運動状態の観測者にとって同じでなければならないと彼は言いました。
最初の相対性理論が到来したのです。
これらの考えは、古典力学のニュートンの方程式に反映されています。一様な運動をしているすべての観測者は、ニュートンの3つの法則を使って実験の結果を計算することができます。
これは簡単に試すことができます。駅のプラットホームでボールを落として、床に落ちるのを見てください。一定の速度で走っている電車の中で同じ実験を繰り返しても、ボールは単に落ちるだけです。
しかし、旅の始まりや終わりにボールを落とすと、電車は速度を上げたり、目的地に近づくにつれて速度を落としたりしているので、ボールは電車の後ろや前に向かってそれていきます。ニュートンの法則に反するように見えますが、これらの方向に力が働いているわけではありません。
これらの見かけの力は、あなたの座標系が加速しているために現れるだけです。一様な運動を達成するとすぐに消えてしまいます。
この現実の背景に関する図式は数世紀にわたって存在していましたが、スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マックスウェルがついに光の謎を解き明かし、それと共に私たちの宇宙の奇妙な現実を明らかにするまでのことでした。
マックスウェルの科学への影響は巨大でした。19世紀半ばまでに、マックスウェルは電気と磁気を数学的に統一していました。これらの奇妙な現象が関連しているという実験的な手がかりはありましたが、マックスウェルは一握りの方程式で、これら2つのものが同じものであることを示しました。
これだけでも大きな業績で、マックスウェルは科学的に有名になりました。しかし、彼はさらに自分の方程式を深く見つめ、それらが何か深遠なことを意味していることに気づきました。
彼は、光そのものが電磁現象でなければならないことに気づきました。振動し、絡み合った電気と磁気の場です。
彼の方程式はまた、光の速度を明らかにしました。秒速30万キロメートルという驚異的な速さです。しかし奇妙なことに、この速度が何に対して相対的なのかは明らかではありませんでした。誰の座標系でこの速度が決まるのでしょうか?
絶対的な静止の概念が物理学を救うために必要であるように思われました。一部の人々は、光が宇宙全体を伝播するエーテルという絶対的な背景があると提案し、この考えを検証する実験を作り出していました。
これには、光線を鏡に反射させたり、電気回路に電流を流して電球を点灯させたりする実験が含まれていました。これらの実験の結果は、エーテルに対する運動に依存するはずで、宇宙には絶対的な静止状態が存在することを示すために構築されていました。
しかし、これはガリレオの相対運動の考えにとって深刻な頭痛の種となるでしょう。なぜ電磁気学はこの静止状態を知っているのに、他の物理学はそれを気にしないのでしょうか? なぜガリレオの相対性は電磁気学以外のすべてに当てはまるのでしょうか? なぜ現実の物理学がこんなに複雑でなければならないのでしょうか?
1905年、ある物理学者がそれほど複雑である必要はないと述べました。宇宙はガリレオに従う物理学と従わない物理学に分かれているわけではありません。いいえ - 電磁気学も相対運動を尊重しなければならない、と。そして、20世紀の初めに、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論が生まれました。
その核心には、物理学者の夢、つまりできるだけ少ないもので可能な限り多くを説明するという夢が反映されています。アインシュタインは、すべての観測者が、相対運動に関係なく、マックスウェルの方程式を使って電磁気学的実験の結果を計算できることを要求しました。
しかし、これには不快な結果が伴います。すべての観測者が光速の同一の値を測定しなければならないのです。そしてこれは、ニュートンの空間と時間の概念では単に不可能でした。
そこでアインシュタインは、空間と時間は固定的でも絶対的でもないと主張しました。代わりに、それらは柔軟で、時間と距離は観測者によって異なるものでなければならないのです。
これは狂気のように聞こえます。実際、これは私たちの日常生活の経験ではありません。しかし、光速に近い実験では、この空間と時間の歪みが明らかになります。
そして1960年代に、時間の歪みに対する反駁の余地のない証拠が見つかりました。焦点は素粒子、ミューオンと呼ばれる電子の重い版でした。しかし、電子が永遠に生き続けるのとは異なり、ミューオンは200万分の1秒しか存在しません。その後、ミューオンは電子とニュートリノに崩壊します。
物理学者たちは、高エネルギーのミューオンが上層大気で作られることを知っていました。宇宙からやってくる粒子が大気中の分子に衝突して作られるのです。
光速に近い速度で移動するミューオンは、崩壊する前に500メートル進むはずです。しかし、物理学者たちは数十キロメートル進んだ後、地上に到達するミューオンを検出しました。なぜこれらのミューオンは、寿命が示す以上に長く生き続けているのでしょうか?
答えは、物理学者たちが気づいたように、アインシュタインの特殊相対性理論にありました。特に、ローレンツ因子と呼ばれる量にありました。この因子が時間の膨張を支配しているのです。
これを理解するには、特殊相対性理論から直ちに導かれた結果を理解する必要があります。光速は宇宙の絶対的な速度限界です。どんなに頑張っても、どんなにエネルギーがあっても、質量を持つ物体は決して光速に達することはできません。
ローレンツ因子は相対速度に依存しますが、速度が光速に近づくにつれて、ローレンツ因子は無限大に成長します。そのため、ミューオンにとっては、寿命はわずか200万分の1秒です。しかし、地球上の物理学者にとっては、ミューオンの寿命はずっと長く見え、地上に到達します。
この話にはもう一つの側面があります。アインシュタインの奇妙な相対論的コインのもう一つの面です。物理学者たちは、長寿のミューオンが崩壊する前に数十キロメートル進むのを見ます。しかし、もしミューオンに尋ねることができたら、短い寿命の間にわずか数百メートルしか進んでいないと言うでしょう。空間も時間も、速度が光速に近づくと歪んだり膨張したりするのです。
そしてアインシュタインは、この速度制限が情報に対しても深い意味を持つことに気づきました。これも光速より速く伝達することはできません。
古典的な例として、私たちは太陽を今あるがままに見ているのではなく、8分前の姿を見ているということがあります。そして、アンドロメダ銀河から私たちが見ている光は、人類が地球を歩く前に出発したものです。
望遠鏡を通して、天文学者たちは数十億年前の過去の銀河を見ています。宇宙の今の姿は完全に私たちから隠されています。私たちは過去の姿しか見ることができません。これは「過去の光円錐」として知られています。そして、銀河が遠ければ遠いほど、若く見えるのです。
アインシュタインの宇宙観から、他の結論も導き出されました。時間と空間が異なる観測者にとって異なる意味を持つところです。
ニュートンの絶対的な時間がなければ、普遍的に合意された「今」はありません。そして、時間の相対性は、観測者によって経過時間の長さが異なることを意味します。
アインシュタインはすぐに、大切にされてきたある考えが運命づけられていることに気づきました。同時性の概念です。これは、2つの異なる場所で起こる2つの出来事が、まさに同時に起こるという考えです。
私たちは毎日これを経験しています。物事が特定の時間に起こるという生活のリズムの一部です。しかし、これはすべて幻想なのです。これを理解するために、アインシュタインの思考実験の1つを見てみましょう。
高速で走る列車の車両に3人が乗っているとします。1人は車両の後ろに、1人は前に、そして1人は真ん中に立っています。
列車が一定の速度で進む中、この3人は実験をすることにしました。車両の真ん中にいる人は、光のパルスを放出する装置を持っています。そのパルスは車両の後ろと前に向かって進みます。
車両の両端には、それぞれ鏡があり、光のパルスを真ん中に向かって反射させます。そして、光が反射された瞬間に、両端にいる人はそれぞれ手を挙げます。
もちろん、実際の列車の車両では、この実験はすぐに終わってしまうでしょう。人々のゆっくりとした反応時間が制限要因になるでしょう。しかし、これが思考実験の美しさです。日常生活のすべての制限を無視して、物理学だけに集中できるのです。
列車の中の状況について考えてみましょう。光のパルスが出て行って反射するまで、すべてが対称に見えます。車両の真ん中で光のパルスが戻ってきて実験が終わるまで。そして、両方の手が同時に上がったと言うのは理にかなっているように思えます。同時だったのです!
では、列車に乗っていない外部の観測者、つまりプラットホームに立っているだけの人の視点について考えてみましょう。そして、面白いことに、列車を光速に近い速度で動かしてみましょう。
この外部の観測者は、列車が轟音を立てて通過し、実験者たちが実験している様子を見ると、どう見えるでしょうか? さて、ここで少し奇妙になります。
外部の観測者は、実験が始まり、光のパルスが車両に沿って進んでいくのを見ます。しかし、アインシュタインの特殊相対性理論が要求することを思い出してください。すべての観測者は、光が正確に同じ速度、光速で進むのを見なければならないのです。
これは、観測者が見るものにどのような影響を与えるでしょうか? 列車が動いているので、車両の後ろは光が進む距離を減らしています。一方、車両の前は遠ざかっていき、反射する鏡までの距離を増やしています。
光は最終的にそれぞれの鏡で跳ね返り、車両の真ん中に戻る道を進みます。再び距離が変化し、最終的に両方のパルスが同時に真ん中に戻ってきます。
外部の観測者に何を見たかと尋ねられたら、彼らはこの実験をどのように描写するでしょうか? 彼らは、パルスが同時に放出されるのを見たと言うでしょう。そして、パルスが同時に真ん中に戻ってくるのを見たと言うでしょう。しかし、反射と手を挙げるのを異なる時間に見たと言うでしょう!
同時性は、誰が観察しているかによって異なるのです!
アインシュタインは相対性理論に満足していましたが、すぐに問題に気づきました。その問題は重力でした。
アイザック・ニュートンは17世紀に重力を記述する方程式を与えました。これらは、りんごが木から落ちる速度や月の軌道を説明するのによく機能しました。しかし、ニュートンの方程式は質量間の距離に依存していました。
ニュートンの宇宙では、時間が絶対的なので、正確な「今」での分離について話すことができます。しかし、アインシュタインの宇宙では、「今」が普遍的に定義されていないので、どの質量の分離を考えるべきでしょうか? どの「今」が「今」なのでしょうか?
同時性の欠如は、一意の分離の概念を覆してしまいました。アインシュタインは、ニュートンの重力を相対性理論に組み込む方法を見つけることができませんでした。
そこで最終的に、彼はニュートンの重力を完全に拒否するしかありませんでした。彼は白紙の状態に戻り、重力を一から再定義しなければなりませんでした。しかし、彼の方程式のどこに重力を含めることができるのでしょうか? 答えは、これまで以上に奇妙なものでした。
時間も空間も可塑的でした。重力は宇宙の織物の曲がりと伸びにエンコードできました。10年の努力の末、1915年にアインシュタインは数学を解明しました。
これが、今日私たちが重力の作用を記述する一般相対性理論です。もはや重力は2つの質量間の力ではありません。今や、それは時空の曲率なのです。
これは、私たちが膨張宇宙を記述するのに使う数学です。そして、日常生活でGPSを動かすのにも使われています。
アインシュタインの相対性理論の結論は、宇宙全体で依然として成り立ちます。同時性はなく、普遍的に合意された「今」もありません。時間と空間は非常に歪んだり歪められたりする可能性があり、物事が同時に存在するかどうかは単に観察者の目にあるだけです。
そして今、2023年の驚くべきクェーサー研究に戻ることができます。宇宙が若かったときに本当に時間はゆっくり進んでいたのでしょうか? まあ、もしあなたがそこにいたら、宇宙の幼年期に、1秒は1秒のように感じたでしょう。
しかし、宇宙が膨張するにつれて、それを通過する光は引き伸ばされます。時空のこの可塑的で伸縮性のある性質は、遠い宇宙で観測するものが時間にわたって薄く引き伸ばされているように見えることにつながります。
そして、遠い過去がゆっくりとしたペースで進んでいたように見えるのです。
そして、この概念のさらに極端なバージョンは、ブラックホール周辺で経験される時間の膨張に示されています。時空は、ブラックホールの中心で不可能なほど極端に歪められていますが、地平線に近づくにつれても歪められ、引き伸ばされています。
そのため、あなたの時間の経験は、遠く離れた観測者と比べてゆっくりになります。そして奇妙なことに、これら2つの考え、ブラックホール周辺の時間の膨張と遠い過去の時間の膨張は、全く異なる文脈で生じているにもかかわらず、効果的に同じものなのです。
そして、20世紀の初めの数十年から、時間に対する私たちの見方は永遠に変わりました。アインシュタインの革命的な宇宙観では、時間の経過は全く個人的なものです。
あなたの時計、それが腕時計のような機械的なものであれ、心臓の鼓動のような生物学的なものであれ、規則的に1秒に1秒のペースで刻みます。他の人々の時計は、あなたに対して根本的に異なる速さで刻むことがあります。
彼らがあなたと異なる動きをしているなら、あなたと異なる場所、異なる重力場にいるなら、あるいは、最初に見たように、宇宙の寿命の異なる時代に位置しているなら。
この時間の曲がりは真に宇宙の一部です。地球の表面に衝突する長寿命のミューオンは、このことの証人です。原子時計を地球の周りを旅させる実験も同様です。それぞれの刻みを刻んで、再会したときには同期が外れています。
そして、私たちはこの時間の相対的な性質を使って未来に旅することができるかもしれません。必要なのは、ブラックホールの強烈な重力場にしばらくいることだけです。そこでは、宇宙の残りの部分に対して相対的に時間が事実上停止します。
そのため、あなたにとっては数分や数時間しか経っていないのに、外に出てみると何年も何十年も経っているかもしれません。
遠い宇宙から注意を引き離し、りんごに戻ってきます。あなたはりんごが今ここにあると確信しています。2メートルも離れていません。しかし、今や、あなたの「今」はまさにそれ、あなたに属する「今」であることを受け入れなければなりません。あなたの現実はあなただけのものです。
この考えは、あなたの心の中でぐるぐると回り、眉をひそめさせます。現実がいつどこにあるのかは滑りやすい質問のようです。でも、それが何であるかはもっと単純かもしれません? あなたの周りの世界は...何でできているのでしょうか? どうやって宇宙を分解すればいいのでしょうか?
原子分裂。巨大なエネルギー放出。
これが1932年5月のメルボルン・アーガス紙の見出しでした。ケンブリッジの成果。英国科学者たちの成功。
現実の本質はバラバラに砕かれました。この見出しは、ケンブリッジの研究室から2万キロメートル離れた新聞に掲載されました。発見の地球を揺るがすような性質を示しています。
古代の哲学者や先見者たちの目標が、ついに達成されました。英国の科学者、アーネスト・ウォルトンとジョン・コッククロフトは、現代の錬金術師だったのです。
しかし、火と硫黄の代わりに、彼らの研究室は金属と電線で輝いていました。電気、磁気、粒子ビームを使って、彼らは元素を変成させることができました。リチウムは2つの新しい原子、ヘリウム原子に分裂しました。彼らの発見は、原子以下の世界が今や物理学者たちの手の届くところにあることを示しました。
物質が何であるかという問題は、長い間哲学者たちの頭を悩ませてきました。いくつかの物体は明らかに似ていました。様々な形や大きさの石は硬く、石の固さは人間の肉の柔らかさと対照的でした。それらは全く異なる、根本的に異なるもののように見えました。
哲学者たちは、自然の物質が無限に分割可能かどうか疑問に思っていました。それをどんどん小さく切り刻むことができるかどうか。しかし、古代ギリシャとインドの思想家たちは新しい考えを持っていました。物事は究極の部分で構成されているという考えです。
私たちが今、アトム(原子)と呼んでいる、ギリシャ語で「切れない」という意味の小さな部分です。古代の哲学者たちにとって、これらの原子は現実の基本的な部分でした。
すべてのものが原子でできているという考えは、数千年の間哲学的な思索にとどまっていました。しかし18世紀までに、原子の物理的存在に対する科学的証拠が現れ始めていました。そして、それは物理学者の実験室からではなく、植物学者の実験室からでした。
問題の植物学者はロバート・ブラウンで、1773年にスコットランドで生まれました。彼は優れた経歴を持ち、インヴェスティゲーター号に乗って世界中を旅し、植物生活を調査しました。
何年も後の1827年、彼はまだ植物の世界を研究していましたが、その焦点は花粉の小さな粒子に当てられていました。この花粉は水面に浮かんでいて、ブラウンは顕微鏡で観察しました。
しかし、ブラウンが見たものは彼を困惑させました。水の中で静かに浮かんでいるのではなく、花粉が踊ったり揺れたりしているのを見たのです。ブラウンは花粉が植物から来ることを知っていたので、おそらくこの揺れ動きは生命の作用によるものだと考えました。花粉粒が液体中を自ら推進できるのではないかと。
しかし、他の物質、明らかに死んだ物質のチョークの粉でも、同じような踊りを見せました。このブラウン運動は生命とは何の関係もありませんでした。
多くの人々がブラウンが見た花粉の揺れ動きの問題について考えましました。しかし、その答えは7年も経たないと見つからなかったのです。1905年まで。おそらく科学史上最も有名な年、アルバート・アインシュタインの奇跡の年まで。
この奇跡の年に、アインシュタインは一般的に特殊相対性理論とそれがもたらす空間と時間の奇妙さで記憶されています。しかし、これは光電効果を通じて量子物理学を革新した年でもあり、ロバート・ブラウンが発見した奇妙な動きをついに説明した年でもあります。
アインシュタインの洞察は、シンプルでありながら素晴らしいものでした。彼は、花粉の揺れ動きは花粉が自ら推進しているのではなく、外部の力によって推進されていることに気づきました。個々の水分子の衝突によって伝えられる力です。
しかし、これがどうしてあり得るのでしょうか? 花粉粒は小さいとはいえ、水分子よりも10億倍も10億倍も重いのです。水分子が花粉に衝突しても、どうしてそんなに影響があるのでしょうか?
あなたが本当に巨大なロックコンサートにいて、ステージから音楽が響き渡っているところを想像してください。あなたは群衆の中深くにいて、数万人の人々の群衆の中にいます。時々、群衆が左右や前後に押し寄せます。そして、これらの波の中で、あなたにできることは群衆と一緒に動くことだけです。
断続的に、波が収まり、あなたは仲間の聴衆と肩を並べて立っています。群衆は落ち着かず、あなたはあらゆる方向から押されます。ここからの押し、あそこからの押し。あなたの体は押しに合わせて動き、スペースを確保しようとしますが、ゆっくりと揺れ始めます。
押しは均等ではありません。時には右からの方が多く、時には左から、時には前から、時には後ろからで、次の押しがいつ来るかを予測することはできません。何をしても、あなたの体全体が少しこっちに、少しあっちに動きます。
アインシュタインは、ブラウン運動がまさにこのような酔っ払いの歩みだと気づきました。彼は、毎秒数え切れないほどの水分子が粒子と衝突していると言いました。その結果、これらの衝突の前後の揺らぎが、ランダムな揺れ動きを引き起こし、花粉粒は分子の曲に合わせて踊るのです。
彼の計算から、アインシュタインは衝突の大きさとその揺らぎを計算することができ、水が絶対に微小な分子の膨大な数で構成されていることを確認しました。
そして、原子仮説は原子の現実となり、原子が私たちの世界の構成要素であることが明らかになりました。
しかし、その存在が証明されたまさにその時、これらの不可分の原子は分割し始めました。1896年、アンリ・ベクレルとマリー・キュリーは原子の世界が不安定であることを発見しました。いくつかの元素は他の元素に変成し、その過程で他の部分を放出することができました。そして1897年、J.J.トムソンは電子を発見しました。
現実を作り上げる原子の中に何かが生きていました。そして、原子を分裂させ、その内容を明らかにするレースが始まりました。
この発見により、トムソンは1906年にノーベル賞を受賞しました。しかし、彼の弟子こそが真に物質の構造を明らかにすることになりました。核物理学の父、アーネスト・ラザフォードです。
20世紀の最初の10年間、ラザフォードは2人の若者に物質の構造を探る任務を与えました。マンチェスター大学の暗い部屋で、彼らは漆黒の闇をのぞき込みました。彼らは、蛍光スクリーンに粒子が衝突したことを示す小さな閃光を探していました。
そして、これまでの結果は正確に予想通りでした。2人の男性はハンス・ガイガーとアーネスト・マースデンでした。ガイガーの名前は、彼にちなんで名付けられた放射線検出器によって不朽のものとなりますが、それはまだ数年先のことでした。今のところ、彼は忍耐強く闇の中をのぞき込み、見つけた小さな閃光を記録していました。
実験は続き、閃光を一つ一つ数えていましたが、ある日、ラザフォードは予想外の場所で閃光を探すよう提案しました。そこで、ガイガーとマースデンは忠実に実験を変更し、再び闇の中をのぞき込みました。そしてそのとき、彼らは物理的現実に対する私たちの理解を永遠に変えたのです。
ラザフォードは驚愕し、これは彼の人生で最も信じられない出来事だと言いました。40歳でまだ若かったものの、彼はすでに自身の研究でノーベル賞を受賞していました。しかし、この新しい実験により、原子の世界は二度と同じではなくなりました。
しかし、なぜでしょうか? 彼らは何を見たのでしょうか? そして、それは何を意味したのでしょうか?
トムソンによる電子の発見は、原子の構造に関する新しい手がかりを提供していました。電子が明らかに何らかの負の電荷を運んでいたので、原子の内部には正と負の電荷の混合物があるはずでした。全体として中性だからです。問題は、この電荷がどのように分布しているかでした。
トムソンは原子の性質についての彼のモデルを提案しました。今では「プラムプディングモデル」として知られているものです。紛らわしいことに、プラムプディングにはプラムは含まれておらず、実際にはレーズンの入ったフルーツケーキです。そして、トムソンは、電子がちょうどこれらのレーズンのようなもので、正のケーキの混合物の中に懸濁しているのだと言いました。
ラザフォードが実験で検証していたのは、まさにこの原子モデルでした。彼は放射性物質から放出されるヘリウム核である荷電アルファ粒子のビームを作り、それを金箔に衝突させました。ガイガーとマースデンが闇の中で閃光を探していたのは、これらの衝突の反跳でした。
アルファ粒子が金箔に衝突すると、その多くは完全に通過し、金原子を完全に逃しました。しかし、時々、アルファ粒子は個々の金原子に直接衝突しました。ラザフォードは、これらが原子内の電荷の押し引きを感じ、ビームから外れて軌道が偏向するはずだと推測しました。
もしトムソンが正しく、原子が正と負の電荷の一般的な混合物であれば、これらの偏向は比較的控えめで、ビームからわずかに外れるだけでしょう。そして、これはガイガーとマースデンがマンチェスターの研究室の暗闇の中で見ていたものでした。
しかし、ラザフォードの提案に従って、彼らはビームから遠く離れたところでも散乱されるアルファ粒子を見つけました。ラザフォードは仰天しました。アルファ粒子がこれほど劇的に散乱されるのは、トムソンの原子のビジョンでは単に不可能だったのです。
ラザフォードはこう言ったそうです：「これは私の人生で起こった中で最も信じられない出来事でした。15インチの砲弾をティッシュペーパーに向けて発射し、それが跳ね返って自分に当たるようなものでした。」
しかし、問題は残りました - トムソンの原子がアルファ粒子の散乱を説明できないのなら、何が説明できるのでしょうか?
ラザフォードは、正電荷が広がっているのではなく、密集していなければならないと結論づけました。そうすれば、原子の電荷とアルファ粒子の間に非常に強い電磁反発が生じます。実際、非常に強いので、アルファ粒子はあらゆる方向に跳ね返されることがあります。
これは、原子が何であるかについてのかなり混乱する図につながりました。ラザフォードは、原子内の電子が負電荷を運んでいることを知っていました。この電荷は原子の体積全体にわたって広く広がっているはずで、アルファ粒子にほとんど影響を与えないほど薄く広がっています。
しかし、電子はほとんど質量を持っていませんでした。これは、質量の全体が原子核の正電荷に存在しなければならないことを意味しました。しかし、質量は大きいものの、この原子核は非常に小さく、原子全体の数万分の1以下の大きさでした。
これにより、原子の体積の大部分が空虚な空間になりました。
ラザフォードの洞察により、核物理学の驚くべきパンドラの箱が開かれました。ラザフォードの原子は、現実に対する私たちの見方、周りの世界の明らかな固体性を破壊します。
すべての椅子、すべての壁、すべての木、すべてのりんごは原子でできています。それらは構造、色、その他すべてを定義する無数の分子に結びついています。しかし、これはただの幻想に過ぎないようです。
りんごは水、ビタミン、そして味の元となるブチルとヘキシルアセテートでできています。しかし、各分子の各原子は本当に、極小の原子核を取り巻く電子の雲に過ぎません。そして、各原子の大部分は空虚な空間に過ぎません。
りんごはほとんど空虚な空間で、その固体の外観は幻想に過ぎません。もちろん、りんごだけでなく、すべてのものが固体に見える幻想を持っています。あなた自身を含めてです。
これは不安になるかもしれませんが、自分自身と現実のこのイメージで自分を慰めようとすることができるかもしれません。原子がほとんど空虚な空間だとしても、それでもまだ何かでできています。原子核と周回する電子があります。確かにそれらの部分は本当に存在しているはずです。確かにそれらの部分は本当にそこにあるはずです。
しかし、以前に分子と原子に対してそうであったように、物理学者たちはすぐに、原子の神秘的な核も根本的なものからはほど遠いことに気づくでしょう。
1915年8月10日、狙撃手は標的を見つけました。彼は敵に向けてライフルを構え、呼吸を整え、引き金にゆっくりと圧力をかけ始めました。銃声が響き渡ると、鳥たちが散り散りになりました。
狙撃手の狙いは正確で、敵は地面に崩れ落ちました。狙撃手は次に移動しました - まだ多くの標的が残っていました。
彼は知らなかったでしょうが、彼の弾丸は20世紀最大の頭脳の一つを消し去ったのです。
第一次世界大戦は、兵士と民間人を合わせて2000万人の命を奪い、さらに多くの人々が負傷しました。オスマン帝国を弱体化させようとした失敗に終わったガリポリ作戦では、10万人の犠牲者が出ました。
失われた命はすべて悲劇であり、愛する人が失われ、その可能性が実現されないままです。しかし、これは特にヘンリー・G・J・モーズリーにとって当てはまります。彼が兵士になったのは、家族の願いに反して義務感から志願したのですが、兵士になる前は、原子核の内部構造を解明していた科学者だったのです。
1887年にイングランドのドーセットで生まれたモーズリーは、オックスフォード大学の教授の息子でした。モーズリーは優秀な学生で、オックスフォードで学んだ後、1910年にマンチェスターでラザフォードに加わりました。彼はX線を使って異なる元素を照射し始め、原子の秘密を明らかにすることを望んでいました。
そうしていると、彼は異なるエネルギーでX線が放出されるのを見つけ、原子の深部で何かが原因となっているのではないかと推測しました。
そこにはパターンもありました - より重い元素、つまりより重い原子を含むと考えられている元素では、より高いエネルギーのX線が放出されていました。
オランダでは、アマチュア物理学者のアントニウス・ヨハネス・ファン・デン・ブルックが大胆なアイデアを提示しました。彼は、原子内で負電荷を運ぶ電子が離散的な塊で来ることを知っていました。
各電子は同じ質量と同じ電荷を持っているように見えました。核も同じだとしたらどうでしょうか? 別々の正電荷の塊で構成されているとしたら?
原子は電気的に中性に見えるので、これらの正電荷の塊は負電荷の電子と正確にバランスを取るはずです。そして、元素間の唯一の違いは、その核内の正電荷の数であり、これが周回する電子の数を決定し、原子が他の原子とどのように相互作用するかを決定するのです。
最も単純な元素はこれらの電荷を1つ持ち、次は2つ、というように続きます。モーズリーは、これが彼がX線で見ていたパターンであることに気づき、この1つの洞察で、彼は周期表を再配置しました。現在、原子番号として知られているものに基づいて - これは今日でも私たちが使用している周期表の形式です。
1962年、モーズリーの早すぎる死から長い時間が経った後、量子力学の巨人ニールス・ボーアはこう言いました。「実際、ラザフォードの仕事は真剣に受け止められていませんでした。どこにも言及されていませんでした。大きな変化はモーズリーからもたらされました。」
そして、もし1915年にその狙撃手の弾丸に倒れていなければ、モーズリーは科学にどれだけ多くのことを貢献したことでしょうか。
大戦が最終的な終結に向かって進む中、物事は急速に進展しました。再び、常に最前線にいたラザフォードが発見の中心にいました。放射能の研究を通じて、彼はついに原子の真の性質を明らかにしました。
水素は最も単純な元素で、1つの正電荷の塊と1つの電子だけが結合しています。一方、ヘリウムは2つの正電荷と2つの電子を持っています。そしてリチウムは3つずつ、ベリリウムは4つずつ、というように続きます。
電子と同様に、これらの正電荷の塊はすべて同一で、運ぶ電荷の点でも、構成する質量の点でも同じでした。ラザフォードはこれらの正電荷の、質量を持つ粒子を陽子と名付けました。
そして最終的に、1932年に、長年理論化されていた中性子が実験で明確に同定されました。
原子の構成が完成しました。それは複雑性の混沌として始まりました。異なる性質を持つ異なる物質が、92の自然元素で世界が構成されているという認識を通じて単純化されました。
しかし、陽子、中性子、電子の発見により、物事はさらに単純になりました。すべての元素の原子とその同位体が、これら3つの主要な現実の部分だけで構築されているのです。
原子の外側には電子が漂っています。負電荷を持つ小さな粒子で、光速に近い速度で飛び回っています。100万倍小さく、原子の中心にある原子核は、正電荷を持ち、陽子と中性子で構成されています。原子核が原子質量の本拠地です。
しかし、ラザフォードの新しい原子観が広まると、他の人々はそれが彼らの知る物理学の破滅を意味することに気づきました。致命的な欠陥がありました。彼らは言いました。電子が軌道に留まる方法はありません。ラザフォードの原子版は全く存在できないはずです!
問題はジェームズ・クラーク・マックスウェルの電磁気学の方程式から生じました。これらは、加速する電荷が電磁波としてエネルギーを放射しなければならないことを要求しました。
そして、周回する電子は常に加速状態にあるので、常にエネルギーを失い、原子核に向かって螺旋を描いて消滅するはずです。
ニュートンやマックスウェルの物理法則には、これを防ぐものは何もありませんでした。私たちが理解している現実の法則には、物質を安定させるものは何もありませんでした。
そこで、物理学者たちは決断を下しました。彼らはルールを変えることにしました。そして、その過程で現実の性質を永遠に変えたのです。
1943年、量子力学の父ニールス・ボーアは窮地に陥りました。ドイツが彼の家族をユダヤ人と宣言し、彼の逮捕が差し迫っていました。そこで、オランダのレジスタンスの助けを借りて、中立国のスウェーデンに逃げました。しかし、彼の試練と苦難はまだ終わっていませんでした。
イギリス人が彼の脱出を聞きつけ、この量子の伝説が必要だと決めました。第二次世界大戦は4年間も続いており、連合国は新しい兵器、原子兵器を開発して虐殺を終わらせなければならないと決めていました。
ボーアの原子以下の洞察は彼らに利益をもたらし、敵が同じ道を辿るのを阻止するでしょう。
スウェーデンから回収され、ジェームズ・ベーカーという偽名で旅をしたボーアは、最終的にニューメキシコの秘密の町にたどり着きました。そしてそこ、ロスアラモスで、彼はマンハッタン計画に貢献し、原子爆弾の製造に携わりました。
彼は恥ずかしがり屋で、若い優秀な頭脳の中で自分は本当に必要とされていないと常に主張していましたが、プロジェクト責任者のロバート・オッペンハイマーは同意しませんでした:
「量子力学の初期は英雄的な時代でした。それは一人の人間の仕事ではありませんでした。多くの国々から集まった何十人もの科学者たちの協力を必要としました。しかし、最初から最後まで、ニールス・ボーアの深く創造的で、繊細かつ批判的な精神が、その事業を導き、抑制し、深め、そして最終的に変容させたのです。」
というのも、30年前の1913年、世界が別の世界大戦の瀬戸際にあったとき、ボーアの心は原子の力を解き放つ方法ではなく、そもそも原子がなぜ存在するのかという問題に集中していたからです。
ラザフォードが原子の構造について正しかったとすれば、なぜ電子は単純に原子核に螺旋を描いて落ちていかないのでしょうか? ニュートンとマックスウェルの物理法則が要求するように。
革命は数十年にわたって醸成されていました。19世紀の終わりまでに、物理学はいくつかのちょっとした問題を除いてほぼ完成しているように見えました。しかし、それらの問題が支配的になり、私たちの知る物理学を書き換えることになりました。
そしてそれはすべて、熱い物体がなぜ光るのかという問題から始まりました。
明らかに、物体を光らせるにはエネルギーを供給する必要があります。このエネルギーが原子を振動させ、その振動が光を生成し、熱い物体の輝きとなります。火の中の鉄のポーカーが美しい赤いチェリー色に輝くのを知っています。そして、それをさらに熱くすると、この赤は白や青に変わります。
この特定の色の選択の理由が、42歳のマックス・プランクの焦点となりました。彼は確立された物理学のルールを組み合わせて、物質と光がどのように相互作用するかを理解しようとしました。しかし、彼の計算は何度も失敗し、絶望の瞬間に達したとき、彼は物理学のルールブックを書き直すことにしました。多くの人が彼の前にそうしたように、そして後にもそうするでしょうが、これほど広範な影響を与えることは二度とないでしょう。
電磁エネルギーは別個の光の小包で来ると彼は言いました。これらの離散的な振動と光の小包は量子化されています。そして突然、プランクの奇妙な新しい数学が熱いポーカーの輝きを説明しました。
プランクは、自分がしたのは少しの数学的手品に過ぎないと思っていました。しかし、1905年までに、アインシュタインも光が離散的な塊、エネルギーの量子で来ると言いました。光源の下で金属から電子が放出される仕組みを説明しています。
突然、量子化された世界があちこちに現れ始めました。量子革命は原子以下の世界が明らかになるにつれて勢いを増していました。そして、ラザフォードの洞察が、原子そのものが量子化されなければならないことを示しました。
しかし、この量子化された原子を支配するルールがどのようなものなのかは、彼にはわかりませんでした。そして、これらの答えはボーアからもたらされました。
電子は、ボーアは言いました、原子核の周りの特定の軌道にのみ存在することが許されています。これらの軌道は電子の運動量によって決定され、したがって各軌道は特定のエネルギーを持っています。電子は、正確なエネルギー差が吸収または放出された場合にのみ軌道間を移動できます。そして、原子核にこれ以上近づかない最小の軌道があるでしょう。
電子が特定のエネルギーを持つ特定の軌道にしか存在できないと要求することで、ボーアは原子を量子化し、崩壊から救いました。エネルギーの塊だけが原子の状態を変えることができるのです。
これはボーアにとって大きな成功で、1922年にノーベル物理学賞を受賞しました。
しかし、物理学者たちはまだ、なぜ原子が量子化されているのかについて頭を悩ませていました。この答えは、ボーアがスウェーデンで賞を受け取ってから2年後に、フランスの貴族で物理学者のルイ・ド・ブロイの斬新な提案からもたらされました。
彼は量子革命の展開を見守っており、古典電磁気学では波であった光が、時として粒子のように振る舞い、一撃でエネルギーを伝達するという概念に困惑していました。
この量子の世界では、ド・ブロイは考えました。なぜ物質もこの二重性の対象にならないのでしょうか? そこで彼は、これまで明確な粒子と考えられていた電子も、その存在において波のような性質を持っていると宣言しました。
光と同様に、ド・ブロイは言いました。電子も屈折し、干渉することができます。
そして、これを原子に適用したのはシュレーディンガーでした。電子の波を正確な点ではなく、原子の周りの軌道全体に広がっているものとして考えるよう求めました。
そして、ボーアの量子化された原子にようやく意味が通りました。電子は波のように振る舞っていて、特定の波長しか持つことができなかったのです。
今日、量子オブジェクトが粒子と波の両方になり得るという概念は一般的な知識ですが、当時、ド・ブロイのアイデアは物理学の基盤を根底から揺るがしました。
すぐに実験が行われ、電子ビームが明らかに波のような振る舞いを示すことがわかりました。そして1929年、ド・ブロイは自身のノーベル賞をスウェーデンで受け取りました。
1930年代までに、現実はすべて縫い合わされたように見えました。周期表は陽子、中性子、電子のたった3つの粒子で構成され、電磁気学と量子力学の数学的規則によって異なる方法で結合されていました。
しかし、この整然とした図さえも急速に解きほぐれ始めました。
1929年、ポール・ディラックは量子力学の方程式に焦点を当てていました。彼の目標は、量子を他の偉大な物理理論であるアインシュタインの相対性理論と整合させることでした。彼の新しい方程式は機能しましたが、ディラックはすぐにそれが彼に何を告げているのかに困惑しました。
電子の振る舞いを記述するだけでなく、数学の中に何か別のものがありました。方程式はまた、正電荷を持つ電子、陽電子を記述していました。秩序ある原子の世界には存在する余地がないように見える粒子でした。
おそらく、人々は思いました。これは現実には存在しない単なる数学的な奇妙さに過ぎないのではないか、と。しかし1932年までに、それは粒子実験で明白に発見されました。
陽電子は宇宙線実験で発見されました。宇宙から降り注ぐ高エネルギー粒子です。これらは粒子検出器内の原子に衝突し、新しい粒子を生成します。
しかし陽電子の発見の直後、衝突の中でさらに奇妙な粒子が現れました。陽電子よりも原子の世界に居場所がない粒子でした。
それは電子のように見えました。同じ電荷を持っていましたが、一つ重要な違いがありました。この新しい粒子、ミューオンは電子の200倍の質量を持っていました。そして電子とは異なり、このミューオンは200万分の1秒で崩壊しました。
ミューオンは、それが必要とされていないように見えるのに、なぜ存在するのでしょうか? 実際、粒子物理学者のイシドア・ラビは、ミューオンが原子の整然とした状態を台無しにしたとき、「誰がそれを注文したんだ?」と冗談を言いました。
しかし、ミューオンの発見は雪崩の始まりに過ぎませんでした。実験から多くの奇妙で異なる粒子が飛び出してきました。
1960年代に入ると、原子以下の世界では混沌が支配していました。標準模型として知られるようになったものの中で、現実の次のレベルが明らかになるまでのことでした。
陽子と中性子、そして他のほとんどの粒子は本当に基本的ではなく、クォークとして知られるより小さな部分でできていることがわかりました。
現在、私たちは6種類のクォークがあることを知っています。3つの家族にグループ化されています。最も質量の小さいクォークはアップとダウンと呼ばれ、次にチャームとストレンジ、最も質量が大きいのはトップとボトムです。そして、実験で吐き出される膨大な数の粒子は、これらのクォークの組み合わせです。
陽子と中性子はアップクォークとダウンクォークでできています。陽子は2つのアップと1つのダウン、中性子は2つのダウンと1つのアップです。
3つのアップクォークが組み合わさってデルタ・プラスプラス粒子を形成し、一方、D+粒子はチャームクォークと反ダウンクォークの組み合わせです。
クォークに加えて、レプトンもあります。電子とミューオン、そしてさらに質量の大きいタウオンです。さらに、それぞれの電子の種類に対応する幽霊のような伴侶であるニュートリノもあります。
つまり、私たちが経験する現実の大部分は、電子とアップクォークとダウンクォークの組み合わせです。
標準模型にはさらにいくつかの部分がありますが、それらにはすぐに出会うことになります。しかし、これらの基本的な部分が全くサイズを持っていないことに注意することが重要です。これらの本当に基本的な現実の部分は本当に点状です。
そのため、あなたの陽子と中性子は、ラザフォードが発見したよりもさらに空っぽです。
あなたは眉をひそめ、再びりんごのことを考えます。それがほとんど空虚な空間であることを知るのは十分に不安でしたが、少なくとも電子と原子核は、まあ、固体のように見えました。量子の世界では、これは単に当てはまりません。
私たちが粒子だと思っていたものは何もそうではありません。量子物質は波のような性質を示し、空間に広がっていて、正確な位置や性質を持っていません。
あなたのりんごは、これらの奇妙な波の混合に過ぎません。すべてが組み合わさってあなたが見る果物になっているのです。
あなたはりんごをじっと見つめ、量子波の問題があなたの心を洗います。これらの波は一体何なのでしょうか? そして、波打っているのは何なのでしょうか? そして、これが現実なのでしょうか - ただの原子以下の波の海?

想像してください。あなたはキッチンにいて、ケーキを焼くために材料を混ぜています。レシピを読んでいると、卵が2つ必要だとわかります。そこで冷蔵庫に向かいます。
冷蔵庫のドアには、卵が整然と並んでいて、いくつかの穴は埋まっていて、いくつかは空いています。あなたはドアを閉め、残りの卵のことをほとんど考えずに、ベーキングに戻ります。
あなたの心の中には確実性があります。冷蔵庫をもう一度開けたとき、卵はまだそこにあり、前と同じ穴を占めているでしょう。他にどうしてあり得るでしょうか?
しかし、現実に対する私たちの現代の理解は、宇宙が実際にはもっと奇妙だということを示唆しています。
卵の代わりに、同じように穴に配置された電子の集まりについて考えてみましょう。20世紀初頭に量子力学が登場したとき、電子はニュートン物理学の厳格なルールでは記述できないことがわかりました。
正確な位置と速度の代わりに、電子は確率で記述されました。ここやあそこに電子を見つける可能性についてしか話すことができません。
そして、特定の穴に電子を観測すると、それは他の穴にいる確率を持つことになります。次に確認したときには、新しい穴にトンネリングしている可能性があります。そして、すべての電子が穴の間をホップしている可能性があります。
では、なぜ冷蔵庫の卵は同じように冷蔵庫のドアの穴の間をホップしないのでしょうか? それらも量子力学のルールに従っているはずで、したがって確率に支配されているはずです。
まあ、ある意味では、そうしているのです。卵全体が量子的にジャンプして穴の間を移動する可能性は極めて小さいですが、小さいながらもゼロではありません! 非常に起こりにくいですが、量子の世界では物理法則の範囲内ですべてが可能なのです。
それはただ確率の問題なのです。
量子革命は20世紀初頭の物理学を支配しました。世界中の偉大な頭脳が原子以下の奇妙な領域に注目しました。しかし、この革命が語ることに喜んでいたわけではありません。おそらく最も偉大な科学者であるアルバート・アインシュタインを含めてです。
問題は1926年、物理学者マックス・ボルンの論文から始まりました。1年前、エルヴィン・シュレディンガーが自身の名を冠した方程式を発表しました。これにより物理学者たちはド・ブロイの物質波の性質を計算できるようになりましたが、シュレディンガーはこれらの波が何であるかわかりませんでした。
しかし、ボルンは、波を確率の波として解釈すれば全てが理解できると言いました。この波動関数の振幅は、電子がここやあそこにいる確率を教えてくれます。そして時間が経つにつれ、この波動関数は前後に洗い流され、電子が特定の場所にいる確率が変化します。
これは、量子波を考えるときに物理学者たちを悩ませていた疑問の1つに答えました。というのも、電子の実験をすると、機器に明確なディングが見られ、個々の電子を明確な粒子として検出したからです。
では、どうやってそれらは量子波としても存在できるのでしょうか?
ボルンにとって、電子のような粒子は、ある場所から別の場所へ移動するときは波のように振る舞います。しかし、検出器と相互作用するとき、波は崩壊し、電子は正確な位置にいるのです。
この図が正しいかどうかを確認するための実験的証拠がすぐに求められ、長くはかかりませんでした。
実験のセットアップは、ヤングの有名な二重スリット実験に似ていました。光を2つのスリットに当てると、干渉の明らかなパターンが示されました。これは光が波として進むことを示しました。波がないと干渉を作り出すことはできないからです。そして、量子物質が波のように振る舞うなら、干渉も示すはずです!
アイデアは、電子のビームをニッケルの標的に照射することでした。原子が規則的なパターンを持つ標的です。電子が小さな弾丸だったら、標的原子からランダムに跳ね返ると予想されます。
しかし、実験者たちは、電子が特定の方向に跳ね返るのを好む方向があり、他の跳ね返りの経路を避けているように見えることを発見しました。これは干渉の明白なパターンでした。波が加算されて強まる場所と、波が互いに打ち消し合う場所がありました。
これを理解するのを助けるために、あなたがオリンピックの射撃選手だと想像してください。照準を通して、100メートル先の標的に狙いを定めます。十字線を合わせ、深呼吸をして息を止めます。
しかし、これから得られる栄光について考えていると、あなたの心は考え始めます。量子の世界の射撃選手だったらどうだろう?
量子の世界では、日常の物理学の確実性は消え去ります。正確な位置と速度の代わりに、あなたの弾丸は量子確率のルールに支配されます。そして引き金を引くと、弾丸は量子波として銃身から出てきて、池の水面の波紋のようにあらゆる方向に広がります。
この量子波は、弾丸のジッピングな経路とは全く異なる方法で進みます。量子波は角を回って屈折することができ、他の量子波と干渉することができます。量子弾丸の噴射は、標的に穴のグループを作り出すことにはならないでしょう。
代わりに、干渉のパターンが現れ、ある場所に弾丸があり、別の場所には何もないということになります。
量子の世界におけるこの波のような性質と粒子のような性質の奇妙な組み合わせは二重性として知られています。そして、なぜ私たちが日常生活でこれを経験しないのかは依然として謎のままです。
物理学者たちは、大きな分子のスケールでさえ量子波の効果を見ることができました。何十もの原子が一緒に量子波として進み、干渉を示すのです。
そして実験は、ボルンが示唆したとおり、電子の波が組み合わさったり打ち消し合ったりしていることを正確に示しました。しかし奇妙なことに、彼らの検出器は個々の電子が到着するのをカウントしていただけでした。量子オブジェクトは決定的に波として進み、粒子として検出器と相互作用していたのです。
実際、さらなる証拠として、今日では、この事実を最も強力な顕微鏡で利用しています。光のビームの代わりに、これらは電子ビームを標的に集中させ、ビームの波の性質を利用して、光で見えるよりも詳細を明らかにします。
ボルンは1954年、アインシュタインの死の1年前にノーベル賞を受賞しました。しかし、その間の数十年、アインシュタインはこの確率論的な自然の描像の声高な批判者となりました。宇宙が実際にそのように機能するはずがないと確信していたのです。
アインシュタインとボルンは友人でしたが、現実について目を合わせることはありませんでした。アインシュタインは、確率が私たちの世界の中心にあることを恐れていました。
彼は、宇宙は根本的に決定論的でなければならないと感じていました。量子力学が確率論的であることを受け入れましたが、量子の世界の下に何かもっと深いもの、決定論に固執する隠れた何かがあると信じていました。
実際、ボルンへの今や有名な手紙の中で、アインシュタインは自身の感情を概説しました:「少なくとも私は、[神]がサイコロを振らないと確信しています。」
1935年までに、アインシュタインは生まれ故郷のドイツから逃げ出し、アメリカに到着していました。そしてそこで彼は、量子力学の中心にあるパラドックスについて書きました。このパラドックスは、彼が確信していた、いくつかの大きなアイデアの不条理さを示すものでした。
そして、このパラドックスは、ほぼ1世紀経った今でも、量子の世界に対する私たちの現代の理解の鍵となっています。
これはEPRパラドックスとして知られています。著者のアインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンの頭文字をとったものです。そして、これはアインシュタインの量子力学に対する最大の問題の1つを浮き彫りにしました - 観測によって確率波が粒子に瞬時に崩壊するという、明らかに瞬間的な現象です。
これを理解するために、2つの量子粒子について考えることから始めましょう。
波動関数について興味深いことの1つは、2つの粒子がある場合、両方の波動関数が単に個々の波動関数の和ではないということです。
いいえ - 2つの粒子の性質を包含する新しい波動関数を書くことができます。そして、この結合された波動関数がアインシュタインに頭痛を与えたのです。
2つの粒子が何らかの出来事によって存在するようになったと想像してください。出来事の詳細は重要ではありませんが、粒子が関連する量子値を持って生まれる結果となります。
例えば、粒子が量子スピンを持って生まれ、1つは上向きに、もう1つは下向きにスピンしていると想像してください。このように、全体のスピンはゼロになり、粒子の生成でスピンが保存されます。
ただし、波動関数には確定的な情報は含まれておらず、確率だけです。したがって、各粒子は50%の確率で上向きにスピンし、50%の確率で下向きにスピンします。
しかし、宇宙の重要なルールの1つは、全体のスピンが保存されることです - したがって、1つが上向きにスピンしているのを検出した場合、もう1つは絶対に下向きにスピンしていなければなりません。
アインシュタインの思考実験では、粒子が生成後に分離し、非常に遠く、おそらく数光年離れて移動すると想像できます。彼らは波として進み、どちらの粒子のスピンの向きもわかりません。すべてはまだ確率の混合物です。
1つの粒子がスピン検出器に遭遇したと想像してください。大きなビープ音とともに、ディスプレイに「スピン上向き」と表示されます。これで、もう1つの粒子のスピンが確実に下向きであることがわかります。波動関数は粒子の確定状態に崩壊したに違いありません。
しかし、ここに問題があります。この広く離れた2つの粒子は、1つがスピンを決定したことをどのように知るのでしょうか? 2つの粒子の間に広がった波動関数は瞬時に崩壊するのでしょうか?
もしそうだとすれば、アインシュタインは言いました。この崩壊は光速よりも速く発生するはずです。そしてもちろん、それは彼の特殊相対性理論によって禁止されていました。宇宙のいかなるものも、いかなる状況下でも光速より速く進むことはできません。
解決策は、アインシュタインが主張したように、量子力学が単に完全ではないということです。その明らかに確率論的な外観の下に、私たちがまだ見つけていない何か別のもの、確定的で確実な何かが潜んでいるのです。
これらの「隠れた」変数は、固体で決定論的な値であり、状況を正確に記述するでしょう。そして、これらの隠れた値が現実の真の性質を記述するのです。
これらの隠れた変数の探索が始まりました。アインシュタインとド・ブロイは新しいアイデアを提案し、その後すぐにそれらを捨てました。他の人々はEPRパラドックスの解決策を求め、決定論を現実の中心に戻そうとしました。
しかし1960年代までに、スイスにいるアイルランドの物理学者の洞察によって、すべての試みは打ち砕かれました。
ジョン・スチュワート・ベルは1928年にベルファストで生まれました。若い頃から、彼は科学者になりたいと決心していました。そして1960年、彼はスイスとフランスの国境にある理論物理学者として自分を見出しました。
最近設立された欧州原子核研究機構、略してCERNでした。ベルは物理学と現実の理解に多くのことを貢献しましたが、おそらく彼はベルの不等式として知られるもので最もよく覚えられているでしょう。
彼の思考実験はEPRパラドックスで示されたものと似ていましたが、微妙で洞察に満ちた捻りがありました。
EPRパラドックスと同様に、まず波動関数で絡み合った粒子のペアを作ります。次に、それらを大きな距離に分離させ、それぞれが検出器に遭遇するようにします。検出器は上向きスピンまたは下向きスピンを登録できますが、それぞれ異なる向きに配置できます。
しかし、まずは2つの検出器が完全に整列していると想像してみましょう。
以前に見たように、1つの検出器が上を登録すれば、もう1つは下を登録しなければなりません。1つの検出器の読み取りは上、上、下、上、下、下、下になるかもしれません。もう一つは必然的に下、下、上、下、上、上、上となります。読み取りは完全に相関しています。
ベルの捻りは、2つの検出器が整列していない場合に何が起こるかを考えることでした。一方が上下を登録するように設定され、もう一方が左右を測定するように回転されているとしたらどうでしょうか?
これは奇妙なことのように聞こえるかもしれません。粒子が上向きまたは下向きにスピンしているなら、どうやって左右のスピンを登録できるのでしょうか?
もしあなたがこのように考えているなら、まだ粒子を古典的なものとして考えています。まるで本当に固体の球で、明確なスピンの方向を持っているかのようです。しかし、覚えておいてください。それらはそうではありません - それらは純粋に量子的な粒子であり、そのスピンは確率的なものです。
したがって、上下のスピンの確率と、左右のスピンの確率があります。このように考えると頭痛が始まるかもしれませんが、これが微視的世界の仕組みなのです。
ベルは出力の相関について考え始めました。一方の検出器が上、下、下、下、上、上を読み取り、もう一方が右、右、右、左、右を読み取るとします。
彼は、これらの選択が隠れた変数によって行われているならば、つまり各粒子に結びついた明確な量によって行われているならば、特定のパターンの相関が見られるはずだと結論づけることができました。
そして、隠れた変数がない場合、つまりアインシュタインが間違っていた場合は、異なるパターンが現れるはずです。
そして、ベルの実験を実験的にテストする急ぐ必要がありました。
最初の結果が出るまでに長くはかかりませんでした。熱いオーブンの中でカルシウム原子が励起され、冷却する際に2つの相関したフォトンを放出しました。
これらのフォトンはオーブンから飛び出し、物理学者たちの検出器に入りました。そして彼らは、フォトンの偏光、つまり電場の振動方向を比較しました。
ベルは、フォトンを定義する隠れた変数があれば、特定の相関が測定されると言いました。しかし、そうでなければ、フォトンの特性が量子波動関数全体に広がっていれば、明らかに異なる一連の相関が測定されるはずです。
結果は決定的でした。変数はあり得ませんでした。現実は物事の特性ではなく、非局所的で、量子波にわたって広がっていました。
そして、それ以来行われた多くの実験がさらにこの結論を確認したため、宇宙の根底にある決定論的な性質というアインシュタインの考えは静かに葬られました。
そして、この時点で、あなたはこれがすべて何を意味するのか疑問に思うかもしれません。これは、奇妙な量子的なものについての些細な学術的議論のように聞こえるかもしれません。
しかし、現実への影響は巨大です。局所性は常に物理学の重要な概念でした。それが意味するのは、何かが純粋にその局所的な環境に反応するということです。近接性が重要です。質量は直接それに作用する力に反応しますが、遠く離れた別の質量に作用する力については知らないし気にもしません。
アインシュタインが反対したのは、量子力学のこの非局所的な性質でした。宇宙の一部での粒子検出が、他の場所にある別の粒子の特性に影響を与える可能性があるということです。
1947年のマックス・ボルンへの手紙で、アインシュタインはこれを「spukhafte Fernwirkungen」（不気味な遠隔作用）と呼び、これはアインシュタインの宇宙観にとってはあまりにも行き過ぎでした。
そして、これを外挿すると何を意味するのかは驚くべきことです。電子は単なる電子ではありません。他のどの基本粒子も宇宙の中で単なる粒子ではありません。粒子は他の粒子と絡み合っていなければならず、宇宙全体で経験を共有しています。個々のものは単なるものではありません。すべてが、宇宙規模で真につながっているのです。
あなたは、これは行き過ぎだというアインシュタインの感情を共有しているかもしれません。あなたのりんごが宇宙の他の粒子と絡み合っているはずがないと。しかし、宇宙はあなたの感情、あなたの直感、あなたの脳で処理できることを気にしないことを覚えておく必要があります。宇宙はあなたが合理的だと思う方法で振る舞うことを拒否します。
2022年のノーベル物理学賞の授与は、この宇宙の不条理さを示しています。受賞者はアラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーで、主題は絡み合ったフォトンでした。
数十年にわたる実験で、これらの物理学者たちは、広く離れた粒子が一つのものとして振る舞うことを示しました。目標は、現実を定義する隠れた変数の可能性を排除することでした。
そして、これらの実験の最近の例である「コズミック・ベル・テスト」は、おそらく最も極端なものかもしれません。心配は、ベルの相関を明らかにする実験が、真実を完全に語っていない可能性があるということでした。
実験は原子で構成されており、これらの粒子すべてが長い歴史を通じて相互作用していた可能性があるのではないでしょうか? さらに悪いことに、実験者自身も同様に絡み合った粒子で構成されていました!
物理学者たちが実験をセットアップするとき、彼らは自分たちが実験から明確に分離されていると考えたがります。彼らは自分たちを単なる客観的な観察者だと考え、目の前の物理法則の結果を見ているだけだと思います。
彼らの実験室の機器は、彼らの心の中では、事実上宇宙の残りの部分から隔離されており、彼らが見ているのは単に目の前の物理学の結果に過ぎないのです。
しかし、これは完全には当てはまりません。実験装置は原子でできています。実験自体よりもはるかに古い歴史を持つ原子です。物理学者たち自身も原子でできています。彼ら自身よりもはるかに古い歴史を持つ原子です。何十億年もの間存在してきた原子です。
これらの何十億年の間に、これらの原子が絡み合う無数の機会がありました。そして、これらの相互作用の中で、隠れた変数が書き換えられ、相関付けられた可能性があります。
これは、物理学者たちが測定する相関が、単に原子の長い歴史の結果である可能性があることを意味します。物理学が非局所的であるためではなく。
これには、実験に量子的な抜け穴を導入する可能性がありました。そして物理学者たちは、隠れた変数が存在しないように見せかけるために共謀しているのではないかと疑問に思いました。
彼らは、地球的な方法で影響を受けない方法で実験の設定を行う必要がありました。そこで、彼らは空を見上げました。
彼らはいつもの実験をセットアップし、そして2つの遠い星の光を取り入れました。星の光はわずかに変動し、これらの変動が実験の一部となりました。
これらのちらつきは、スピンを測定する向きを設定するために使用されました。そして再び、実験は現実が非局所的でなければならないことを明らかにしました。
驚くべきことに、これらの実験は星の代わりに宇宙論的なクェーサーを使用して繰り返されました。隠れた変数のループホールの可能性を、これらの極めて明るい銀河の時代まで、ほぼ80億年前まで押し戻しました。
再び、粒子のスピンは、クェーサーの変動する光によって設定された向きで探索されました。そして再び、結果は明確でした – 現実は非局所的でなければなりません - それは単にそこにあるのではありません。
再び、あなたは目を向けてりんごを見つめます。そして再び、あなたは考え始めます。あなたの心は、あなたのりんごが根本的には基本粒子の集まりであるという事実を処理できます。
そして、それらが果物の一部として、あなたが見ることができるそこにあるというのは理にかなっているように感じます。しかし、これらの粒子は互いに絡み合っており、宇宙の他のものとも絡み合っています。そして、りんごが実際に宇宙と不気味に絡み合っているように見えます。
そして今、疑問は、なぜでしょうか? なぜこのりんごとこの宇宙がそれほどつながっているのでしょうか? すべての下にある規則は何でしょうか?

1955年4月18日、老人は亡くなりました。彼はほぼ80年前にドイツで生まれましたが、最期の瞬間はアメリカの病院でした。彼の最後の言葉は母国語でしたが、それは後世に失われてしまいました。彼の世話をしていた看護師がドイツ語を理解しなかったからです。
しかし、死の数時間前、この男は3つのものを求めました - 眼鏡と筆記用具、そして方程式です - 最後の問題に取り組むためです。
この男、アルバート・アインシュタインは、史上最も偉大な物理学者の一人と考えられており、彼の名前は現代物理学の教科書のページに散りばめられています。しかし、晩年、彼の仕事は一つの問題に集中していました。その問題は今でも物理学者たちを悩ませ続けています。
20世紀最初の数十年の革命から、2つの中心的な理論が生まれました。これまでの話でその両方に出会いました。アインシュタインの相対性理論は宇宙全体にわたる重力の作用を記述し、量子力学は原子以下の宇宙を説明しました。
量子力学は20世紀を通じて洗練され、現在は量子場理論として知られているものに進化しました。これらの場には、量子力学における確率の波打つ波が含まれており、電子やクォークのような基本的な粒子の物理学を記述しています。
また、素粒子物理学の標準模型にも出会いました。これは実際には、これらの量子場の相互作用に関する理論です。
電子のような2つの荷電粒子が相互作用するとき、それらは電磁場に振動を生み出します。そして、これらの振動、電磁力の担体が光子です。もちろん、電子自体も単なる振動です - 電子場の振動です - ちょうど陽子や中性子を構成する各種のクォークがそれぞれのクォーク場の振動であるのと同じように、他の粒子についても同様です。
他の基本的な力に対する場もあります。強い力は、陽子と中性子内のクォークを結びつけ、これらの粒子を原子核に結合する責任があります。強い場の振動はグルーオンで、強い力の担体です。
また、放射能の側面に責任を持つ弱い力に関連する場もあります。その振動はWボソンとZボソンとして知られています。
すべての力に対して、場の振動があり、その振動は量子粒子です。
これを理解するために、中性子の寿命について見てみましょう。自由な中性子は約15分で崩壊し、陽子に変換され、電子と幽霊のようなニュートリノを放出します。
しかし、量子場の観点から見ると、何が起こっているのでしょうか?
中性子は3つのクォークの集まりであることを思い出してください。2つのダウンクォークと1つのアップクォークです。これらは常に強い場に振動を生成し、グルーオンが飛び回って中性子を結合しています。
しかし、弱い場もそこにあり、最終的にクォークの1つが新しい振動を引き起こします。そして、ダウンクォークの1つがアップクォークに変換され、中性子を陽子に変えます。
弱い場の波紋はW-ボソンを表し、新しく形成された陽子から飛び去ります。しかし、この粒子は非常に短い時間しか生きません。10億分の1秒未満です。そして、その振動が消えると、新しい場に振動を生み出し、電子とニュートリノを作り出します。
すべての量子粒子の相互作用を全く同じ方法で記述することができます。
図を完成させるには、もう1つの量子場が必要です。おそらく最も有名な量子場、ヒッグス場です。ヒッグス場との相互作用が基本粒子に質量を与えます。振動はヒッグス粒子を表し、40年にわたる探索の末、2012年に発見されました。
1960年代初頭、物理学者たちは問題があることに気づきました。ご存じのように、弱い力には2つの関連粒子、WボソンとZボソンがあります。量子場理論、量子力の相互作用を記述する理論は、力の粒子が質量を持たないことを要求します。
電磁気力の場合、力の粒子は光子で、質量のない粒子です。強い力の場合、力の粒子はグルーオンで、これも質量のない粒子です。では、なぜ弱い力のWとZは質量を持つのでしょうか?
単純にWとZに方程式で質量を加えることは災害につながりました。数学的な項がすぐに無限大に爆発したからです。そのため、WとZに質量を加える新しいメカニズムが必要でした。
このメカニズムはヒッグス場によって提供されました - 全空間に浸透するエネルギーの場です。WとZの粒子はヒッグス場の存在を感じ、量子相互作用を通じて結合します。一方、光子とグルーオンはヒッグス場を全く見ません。
WとZボソンの質量の問題は解決されましたが、ヒッグスメカニズムにはさらなる能力があることがわかりました。
弱い力の粒子に質量を与えたメカニズムが、すべての基本粒子、すべての電子とクォークに質量を与えることができることがすぐに分かりました。これらの粒子が見かけ上の空虚な空間を通過するとき、ヒッグス場の存在が、それらがちょうど適切な質量を持つことを保証します。
量子場理論は非常に成功しており、粒子実験から飛び出すものを正確に予測します。電子、クォーク、グルーオンのスプレーなど、多くの驚異がその数学の中に見出されます。アインシュタインの相対性理論も同様に成功しており、天体の動きを予測します。
しかし、これらの理論の素晴らしい正確さは、アインシュタインの頭痛の種となりました。アインシュタインは今日利用可能な基本的な力の詳細を持っていませんでしたが、2つの理論の言語の問題に気づきました。
相対性理論は、曲がった歪んだ時空の観点から重力を記述しました。一方、量子場理論は、確率と波について語りました。
これら2つの言語は完全に相容れないものでした。
あなたは「だからどうした?」と思うかもしれません。2つの数学のセットが必要なのが本当に問題なのでしょうか?しかし、アインシュタインのような物理学者にとって、これは現代物理学の夢に反するものでした。統一の夢です。
それはジェームズ・クラーク・マックスウェルと彼の電磁気学の仕事から始まりました。1つの方程式セットで、彼は2つの異なる現象、電気と磁気が単一のコインの裏表であることを示しました。
量子場理論の登場により、物事はさらに単純になりました。3つの基本的な力、電磁気力、強い力、弱い力をその言語で書くことができました。
一見異なる現象を包含する1つの数学的形式主義、それはとてもうまく機能しました - 重力を除いて。
重力は単純に適合しませんでした。
一般相対性理論の登場直後、物理学者たちは余分な次元が答えではないかと考えました。時空にもっと次元があり、それらが電磁力を含んでいるとしたらどうでしょうか?
これらのアイデアはある程度機能するように見えましたが、非常に不完全でした。そしてもちろん、大きな疑問が残りました。つまり、これらの余分な次元はどこにあるのか?ということです。
確かに、空間に上下、左右、前後以外の次元があれば気づくはずです。
しかし、物理学者たちは斬新な解決策を提案しました - これらの次元が非常にきつく巻き込まれているとしたらどうでしょうか?実際、私たちがその存在を経験できず、解像できないほどきつく巻き込まれているとしたら?ボクシンググローブを使ってレゴを組み立てるようなものです。
現実は、一部の人々が考えたように、これらの巻き込まれた次元の大量の数で構築されている可能性があります。
これらのアイデアは数十年間眠っていましたが、1960年代に再び息を吹き返しました。物理学者たちは、これらの巻き込まれた次元がすべての力を包含できることに気づきました。しかし、基本粒子を点ではなく弦のループとして扱う場合に限ります。
弦理論革命が始まりました。
1980年代から1990年代にかけて、物理学者たちは正しい道を歩んでいると確信していました。誰かが手に負えない数学を解明し、すべてが適切な位置に収まるのは時間の問題だと思われました。
しかし、彼らがその理論に必要な20以上の次元で苦労する中、物理学の霧は晴れず、統一はこれまで以上に遠く感じられました。
最近では、弦理論はM理論に変化しました。Mという名前は、その創始者エドワード・ウィッテンによって、M理論が何であるかが明らかになったときのために開けておかれました。弦は膜に置き換えられました - それが答えかもしれません。しかし実際には、それは数学的なアイデアの緩やかな集まりで、それ自体が統一を求めています。
誰もが弦理論のバグに刺されたわけではありません。他の人々は現実の基礎となる可能性のある数学的構造を探してきました。ループ量子重力は、そのようなアイデアの1つで、空間と時間の基本的な塊から現実を編み出そうとしています。
しかし、これも数学的に困難であることが判明し、まだ統一理論としての証明はされていません。
しかし、物理学者たちは粘り強く、すべての理論の究極の探索は続いています。新しい数学的なアイデアが提案され、テストされ、通常は却下されます。そして、物理学者たちは探索の指針として、物理学の重要な概念の1つに頼っています。
他の何よりも宇宙の究極のルールに近づく概念：
対称性のアイデアです。
私たちは皆、対称性について漠然とした概念を持っています - 花瓶や建物のような物が目に心地よく見えるということです。しかし、数学を使って対称性について語ることができます。そして、これらの対称性の存在は、私たちの現実の性質に深い影響を与えています。
例えば、球を考えてみましょう。数学で正確に定義できる形です。球を回転させても、それは球のように見えます。球には回転対称性があり、その外観を変えない変化です。そして、物理学の数学を探って同様の対称性を探すことができます。
なぜなら、1915年にエミー・ネーターが示したように、すべての対称性は保存則を意味するからです。
しかし、これはどういう意味でしょうか?
物理実験があるとします。坂道を転がる球のようなものです。そして、しばらく球を転がして速度を測定するとします。
今、あなたの物理実験を左右に1メートル移動させて転がりを繰り返すとします。結果は同じか異なると予想しますか? もちろん同じはずです。
実験を移動しても結果は変わりませんでした。これは対称性です。しかし、これが意味する保存量は何でしょうか?
ネーターの数学は、保存されるものが運動量であることを教えてくれます。この運動の特性、ニュートンの理論では質量×速度は、この対称性のために保存されます。
運動量は物理的な相互作用で単純に消えることはありません。単に消え去ることはできません - 1つのビリヤードボールが他のボールにエネルギーを伝達します。
他の対称性も存在し、他の保存則を意味します。実験を90度回転させて球を転がすと、再び同じ結果が得られると予想します。
今度は保存される量は角運動量で、宇宙におけるスピンの保存です。
しかし、おそらく最も奇妙な対称性は時間に関連するものです。今日実験を行い、明日また行っても同じ結果が得られるという事実です。
この時間の対称性は、宇宙についての最も基本的なルールの1つのように思える結果をもたらします。この時間の対称性は、エネルギー保存を意味します。
エネルギー自体は失われたり作られたりすることはありません。
対称性は私たちの理論物理学のアイデアを深く貫いています。アインシュタインの特殊相対性理論は完全に対称性の上に構築されており、ローレンツ群として知られる対称性のグループから導き出すことができます。
実際、これらの対称性が光速が最速の速度であることを要求しているのです!
しかし、量子力学において対称性が最高の支配力を持っています。電磁気学には、面白みのないu(1)として知られる対称性が含まれていることが認識されました。そして、他の対称性グループ（より難解な名前を持つ）が強い力と弱い力を記述しています。
これらの対称性グループとともに、新しい保存量が現れます。電磁気学の場合、保存される量は電荷です。
しかし、他の力については、他の量子数が現れます。アイソスピン、レプトン数、クォーク数など、かなり馴染みのない量です。
これらはすべて、現実のルールブックを表しており、何が起こり得て何が起こり得ないかを定義しています。保存則が成り立てば、相互作用は起こることができます。もし破られれば、相互作用は厳密に禁止されます。
深い深いところで - 現実は対称性の上に構築されているように見えます。
さらに深い現実を探る中で、物理学者たちはさらに多くの提案された対称性を組み込もうとしてきました。
超対称性では、物理学者たちは標準模型に鏡を掲げようとし、既存のすべての基本粒子を超対称的な対応物で反映させます。
電子には選択子もあるはずで、光子にはフォティーノがあるはずです。このように続きます。
超対称性は標準模型の数学的な優雅さを向上させ、一部の人々にとっては悟りへの真の道を示しているように見えます。
しかし、これまでのところ、どの実験でも超対称的な粒子の兆候は見られていません。これは、多くの人々が主張するように、超対称性というアイデアが死んでいることを示しています。
対称性のグループはまた、弦理論やM理論の中心にも存在し、異なる対称性がループ量子重力を整理し明確にするのに使用されています。
幾何学と対称性からヒントが続々と来ています。多くの人々が、AdS/CFT対応と呼ばれるものに信頼を置いています。
この口語、通常AdS/CFTと略されるものは、1990年代後半にフアン・マルダセナによって発見されました。重力を含む弦理論の側面と粒子理論の間の数学的なマッピングです。
それは、重力のない特定の4次元宇宙（量子力学のみに基づく宇宙）の数学が、重力を持つ5次元宇宙の数学と一致する可能性があることを示しました。
簡単に言えば - 2つの間に明確な数学的なつながりがあるということです - 重力と量子力学の間に。
この対応が何か深いことを教えてくれるかどうかを明らかにするために、膨大な努力が払われてきました。おそらく、現実を支配する真の万物の理論の影でしょう。
しかし、AdS/CFT対応は非常に奇妙な意味を持つ可能性もあります。
おそらくあなたは光学ホログラムの概念に馴染みがあるでしょう。3次元の画像が2次元の空間にエンコードされているものです。
AdS/CFT対応の可能な結果の1つは、現実に対してもこれが当てはまる可能性があるということです。
私たちが現実として経験しているものは、実際には低次元に格納された情報の投影に過ぎません。そして、光学ホログラムと同じように、2次元の平面から呼び起こされた幻想に過ぎません。
この概念は、ホログラフィック原理として知られるようになりましたが、ブラックホールに関する理解から生まれました。
ブラックホールは非常に単純なオブジェクトで、その質量、角運動量、電荷だけで完全に記述できます。ブラックホールは、これまでに落ち込んだオブジェクトの記憶を全く持っていません。これら3つの特性以外のすべての情報は、忘れ去られたように見えます。
しかし、物理学では一般的に、情報は作成したり破壊したりすることはできず、ただ1つの形の情報から別の形の情報に処理されるだけだと考えられています。
したがって、ブラックホールにとっては、すべての情報がどこに行くのかという問題が問題でした。
当初は、情報がまだそこにあり、ブラックホールの中心に封じ込められていると提案されました。ここでは、宇宙の残りの部分から隠されているだけで、目に見えず心配する必要もありません。
しかし、1970年代初頭、この図は完全に破壊されました。スティーヴン・ホーキングという若い物理学者の洞察によって壊されたのです。
ホーキングは、ブラックホール近くの量子力学の影響について考えていました。
彼は最終的に、事象の地平線の一方向の影響（物事を内部に許すが何も出さない）が、泡立つ量子的背景から粒子を呼び出すことを示しました。
これらの粒子は宇宙に逃げ出し、エネルギーを運んでいきます。
しかし、これらの粒子のエネルギーはどこから来たのでしょうか?
ホーキングの解決策は驚くべきものでした。
彼は、エネルギーが明らかにブラックホールの質量から引き出されていることを示唆しました。そして粒子が逃げ出すにつれて、ブラックホールの質量は着実に減少し、最終的に完全に蒸発して何も残らなくなります。
しかし、それで終わりではありませんでした。
ブラックホールの情報が内部に書き込まれていたとしたら、ブラックホールが蒸発するにつれてどこに行くのでしょうか?
それは放出された粒子に書き込まれているようには見えませんでした。そして物理学者たちは、情報が消去されたことを受け入れることができませんでした。
そこで彼らは別の解決策を探しました。
情報がブラックホールに運ばれたのではなく、他の場所に残されたとしたらどうでしょうか?
おそらく、彼らは示唆しました。情報は物事が通過するときに事象の地平線に刻印されたのではないでしょうか?
この情報は、ブラックホールが蒸発するにつれて逃げ出す粒子にエッチングされ、ブラックホールが完全に消滅するにつれて、総情報が宇宙に放出される可能性があります。
この図では、ブラックホールは3次元のオブジェクトで、3次元の空間を占めています。
しかし、その情報は2次元の表面、事象の地平線に格納されています。
同じように、ホログラムは3次元の画像を保持していますが、すべて2次元の表面にエンコードされています。
そして、一部の物理学者は、宇宙全体が同じように構造化されていると示唆しています。
物理学における対称性の重要性を離れる前に、もう1つ探るべきことがあります。
それは、私たちの宇宙の対称性が完全に完璧ではあり得ないという事実です。
いくつかの対称性は不完全でなければなりません。亀裂がなければなりません。そうでなければ、私たちはここにいないでしょう。
例えば、宇宙における物質の非対称性を考えてみましょう。
宇宙は電子で満たされているように見えます。多くは原子を周回し、いくつかは宇宙空間を漂っています。
しかし、その反物質の対応物である陽電子は比較的稀です - 極めて稀です。
実際、天の川銀河内では、科学者たちは陽電子が物質の1兆分の1以下しか存在しないと推定しています。
そこで疑問が生じます。すべての陽電子はどこにいるのでしょうか?
これが重要だと思わないかもしれませんが、これは本当に対称性の別の問題です。
宇宙の非常に初期、物質が作られた時期に起こっているプロセスを想像してください。
もしプロセスが純粋に対称的だったら、同量の物質と反物質を作り出したはずです。
作られた電子1個につき、対応する陽電子が作られたはずです。
ビッグバンの激しい誕生の後、これらの等量の物質と反物質は対消滅し、放射の無特徴なスープだけを残したでしょう。
物質がなければ、原子も、星も、惑星も、人間もありません。
宇宙は単に無の中に落ち着くでしょう。
したがって、物質生成の物理学に亀裂があったに違いありません。
10億分の1の微小な非対称性が、10億回の対消滅につき1個の電子を残し、同様に陽子が反陽子よりも、中性子が反中性子よりも多く残されたのです。これらが私たちを構成する物質となりました。
物理学者たちは、この亀裂が彼らの理論のどこに隠れているのかまだ完全には確信していません。おそらく、すべての理論が最終的に明らかになるまで待つ必要があるでしょう。しかし、対称性の他の亀裂は明らかです。そして、これらは究極的にこれらの非対称性の性質に関するヒントを提供しているかもしれません。
犯人は弱い力です。基本的な力の中で最も奇妙なメンバーです。他の力とは異なり、弱い力は物質と反物質を区別するように見えます。
これを理解するために、単一の水素原子から始めましょう。最も単純な元素は、正の電荷を持つ陽子が核にあり、負の電荷を持つ電子がそれを周回しています。
この電子が軌道をジャンプすると、特定のパターンの光を吸収または放出します。
反水素原子を考えるとどうなるでしょうか。これは負の電荷を持つ反陽子が、正の電荷を持つ陽電子によって周回されているものです。陽電子が軌道をジャンプすると、再び光のパターンが吸収または放出されます。そして、このパターンは通常の水素で見られるものと正確に同じです。
これは、電磁気力が物質と反物質を考慮する際に対称的であることを示しています。そして、強い力や重力についても同じことが言えます。
しかし、弱い力はそうではありません。弱い力は対称的ではありません。反応の結果は、それが物質で起こるか反物質で起こるかによって異なります。
これは奇妙なことに、宇宙で最も謎めいた粒子の1つ、ニュートリノと結びついています。ニュートリノは弱い力を通じてのみ相互作用するので、常に弱い相互作用の参加者です。
ニュートリノを奇妙にしているのは、その基本的な特性の1つに関係しています。それは、すべてのニュートリノが同じ方向にスピンしているということです。
これは量子的な特性で、量子スピンは量子化された量で来ます - それらは文字通り回転しているわけではありません。
光の光子もスピンを持っています。1単位の量子化された量です。そして、光子が進むにつれて、スピンが右手または左手であると考えることができます。
私たちの宇宙では、左手と右手の両方の光子が見られます。しかし、ニュートリノについては同じことが言えません。
すべてのニュートリノは左手系で、その反物質の仲間である反ニュートリノは右手系です。そして、これが物質と反物質の相互作用を区別しています。
しかし、なぜニュートリノと弱い力は宇宙の左右を区別するのでしょうか?
物理学者たちはまだ答えを知りませんが、現実のこの亀裂は私たちの存在にとって不可欠だったように見えます - それがなければ、宇宙の開始後数秒ですべてが完全に消滅していたでしょう。
現実のルールに関するこの記述で、私たちは長い道のりを歩んできました。量子場や破られた対称性、歪んだ空間や亀裂の入った対称性について議論してきました。
しかし、量子の世界が本当にどれほど奇妙であるかを示す最後の例があります。そのルールを最後まで追求すると。
夜空を見上げてください。
遠い星から見える光は、何百万光年も離れた電子からの光子を交換する目の中の電子を通して検出されます。
2つの電子が電磁力を経験するためには、光子場に振動を励起します。
この光子は2つの電子の間を移動し、力を伝えます。
しかし、電子はどのようにして光子を交換し、電磁力を経験することを決定するのでしょうか?
1つの電子が光子の振動を生成し、それがランダムに他の電子に衝突すると考えるかもしれません。
しかし、これは量子力学の数学が機能する方法ではありません。
光子が交換されるためには、電子が同意しなければなりません - 1つが放出し、1つが受け取ることに。
しかし、彼らはどのように同意できるのでしょうか。光子を通じてのみ光速で通信できるのに?
では、数学は実際に何を言っているのでしょうか?
それはすべて解釈の問題になります。
取引的解釈として知られているものでは、電子は通信します。光子交換の一部である電子間の握手ですが、これを達成するために、電子はこれらの握手を時間を通じて交換します!
1つの電子が未来に握手を送り、もう1つが過去に送ります。そして相互の合意により、光子が交換されます。
何十億光年、そして将来は何兆光年もの距離を越えて。
しかし、現実の基本的な部分としてのこの時間旅行の必要性は、一部の人々にとっては過度です。彼らはこれを、より基本的な何かを隠す数学的な便宜だと退けます。
そして、これは実際に現実を理解する上で私たちをどこに導くのでしょうか?
ホログラフィックな宇宙から数学的含意の狂気に至るまで、私たちは今、科学の哲学的な端に、そして科学とは何かということの端に立っています。
それは真実の探求なのでしょうか、現実の究極の性質を明らかにすることなのでしょうか?
それとも、それが常にできる最善のことは、永遠に隠された真の現実の数学的近似、表現を与えることなのでしょうか。
あなたの思考は、この複雑な図を処理しようとする心の中を駆け巡ります。
しかし突然、混乱は脇に押しやられ、別の考えがあなたの心の中心に飛び込んできます。
もし何も実在しないなら、あなたは一体何なのでしょうか?
あなたの思考はどこに存在するのでしょうか?
あなたはどこにいるのでしょうか?

テセウスの船についての古代ギリシャの伝説があります。
何世紀もの間に、時間と旅の影響で老朽化した船には、絶え間ない保守と修理が必要でした。
最終的には、すべての板と釘、すべての糸と帆布のヤードが交換されました。
結局、テセウスの船の元の部品は何も残っていません。
古代ギリシャの哲学者たちは、これがまだテセウスの船なのかどうか疑問に思いました。そしてそうでないなら、テセウスの船がテセウスの船でなくなり、別のものになったのはいつなのかと。
伝説の船についての議論は単なる哲学的な思索のように思えるかもしれません。しかし、この古代のアイデアには、あなたの現実について深い含意があります。
単純な質問から始めましょう - あなたは本当にどれくらいの年齢なのでしょうか?
もし自分を切ったら、鮮やかな赤い血が傷口から流れ出すでしょう。その色は赤血球、わら色の血漿に浮かぶ小さな細胞からきています。
しかし、あなたの静脈を流れる血液は、子供の頃と同じものでしょうか?
赤血球はどのくらい生存するのでしょうか?
私たちの骨の暗い髄の深部で作られた赤血球は、わずか4ヶ月生存した後、分解されて体から排出されます。
毎秒、約500万個の赤血球が最終的な運命を迎え、新しく作られた細胞があなたの血流に流れ込んで置き換わります。
あなたの体は年に3回、血液を完全に入れ替えます。
実際、あなたの体のほぼすべての部分が最終的に分解され、置き換えられます。
あなたの皮膚は数週間ごとに入れ替わり、内臓については10年かかるかもしれませんが、それらも最終的には置き換えられます。
一方、あなたの骨は約15年かけて再生します。
あなたは文字通り、かつてのあなたではありません。
神経や心臓のような重要な細胞は実質的に永久ですが、残りは一生を通じて来たり去ったりします。
そして、これはあなたや、あなたが知っているすべての人、そしてすべての生き物に当てはまります。私たち全員、そしてすべての生き物は、生物学的なテセウスの船なのです。
これは受け入れるのが難しいかもしれません。
子供の頃に得た傷跡を見ることができます。そして - あなたは生まれたときと同じあなたなのでしょうか?
あなたの個々の細胞が何度も何度も置き換えられたにもかかわらず、あなたは同じあなたなのでしょうか?
そして、テセウスの船のように、もしあなたが元のあなたではないなら、この移行はいつ起こったのでしょうか?
そして、もしあなたがあなたでないなら、あなたは一体何なのでしょうか?
あなたをあなたたらしめているものは何でしょうか?
心の位置、意識の座は長い間謎でした。
古代エジプト人にとって、心臓はすべての活動の中心でした。
それは魂の住処で、思考が体の末端に放射していました。
この見方は偉大な哲学者アリストテレスに採用されました。
彼は脳が物事の中心から遠すぎて重要ではないと主張しました。
この混乱は、思考について考えることの問題から生まれました。
思考とは一体何なのでしょうか?
明らかに、遺体を解剖しても物理的なものは何も明らかにならないでしょう。意識は去ってしまっているからです。
17世紀にデカルトは、脳と心は別のものでなければならないと決定しました。
そして、ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツはデカルトの脳と心の分離に関する見方を支持し、彼をノミよりも小さくしてみるよう求めました。
この微小なサイズで、彼はあなたを脳の中を巡る旅に招待しました。
あなたが歩き回っても、肉質の物質の中に思考の姿は見えないでしょう。
生物学的な機械の中に、泡立つアイデアはありません。
いいえ、彼は言いました。心は何か別のもの、脳とは別の何かです。
しかし、20世紀に入ると、デカルトの二元論は攻撃を受けました。
技術と生物学的理解の進歩が働く脳を見始めたからです。
リアルタイムのマッピングは、ライプニッツの空想的な旅が思考を見ることができないのは、何か神秘的なものがあるからではないことを明らかにしました。
思考は明らかに物理的なものですが、肉眼では見えないのです。
心の秘密は電気でした。感度の高いマッピングにより、脳が電気活動のパルスと爆発で満ちていることが発見されました。特定の感覚や感情が脳の異なる部分を活性化させるのです。
脳は非常に複雑なネットワークであることがわかりました。800億以上のニューロンが無数の相互接続を持っています。信号が新しい信号を引き起こし、ネットワーク全体に流れます。電気活動が高まったり収まったりします。
しかし、心が乱雑な電気信号であると考えるのは満足かもしれませんが、それがどのように機能するのかについては、まだ多くの謎が残っています。
思考はどこにあるのでしょうか? 愛はどこにあるのでしょうか? 創造性と想像力はどこにあるのでしょうか? 記憶はどこに保存されているのでしょうか? なぜ何年も聞いていない曲の歌詞を覚えていられるのでしょうか?
脳がどのように機能するかは依然としてパズルであり、曇った謎です。実際、アインシュタインの偉大な脳でさえ、普通であることが注目に値するものでした。解剖時に頭蓋骨から盗まれたのです。
しかし、その後、注目は私たちの頭の中のニューラルネットワークの複雑さに集中するようになりました。おそらく、意識と思考はこの複雑さの結果であり、単にネットワークを探ることでは明らかにならない創発的な現象なのでしょう。部分の総和以上のものなのです。
創発的な現象は、しばしば科学者たちを困惑させ、当惑させてきました。実際、創発的な現象は多くの人々を神秘化してきました。
1980年代にロンドンを訪れたソビエトの補佐官についての有名な話があります。彼は、都市のパン生産を組織する人物を探そうとしました。
ソビエトのシステムでは、パン生産は中央集権化されており、すべての段階が管理されていました。しかし、モスクワのような都市では、システムの非効率性のためにパン屋の前に長い行列ができていました。
西側では、パン生産を管理する「パン皇帝」はいませんでした。それでも、効果的なシステムが多くの労働者がそれぞれの仕事を行うことから生まれていました。
それはアリの巣を思い起こさせます。そのような巣を見ると、何千ものアリが目的を持って忙しく動き回っているように見えます。しかし、どのアリもコロニーの行動を制御しているわけではありません。代わりに、各アリが単純な一連のルールに従うことで、複雑な創発的な現象が生じるのです。
創発的な現象は物理的世界全体で見つけることができます。水は単に電磁気力を通じて引き合ったり反発したりする分子の集まりに過ぎませんが、水の塊は流れたり泡立ったりし、乱流の渦や渦を作ることができます。単純なルールから生まれる創発的な振る舞いです。
物質や気体の物理的特性も単純なルールから生まれます。そして今や、これらの単純なルールがさらに根本的な現象から生まれているのではないかと考える人もいます。おそらく、重力は本当に基本的な空間と時間の断片から生まれるのかもしれません。水の特性が分子の相互作用から生まれるのと同じように。
そして、あなたが経験する現実、あなたの頭の中の驚異の世界は、単にいくつかの複雑な配線の結果なのかもしれません?
一部の人々はこの結論を不安に感じます。しかし、他の人々にとっては、この概念は大きな希望を与えてくれます。
意識が単に複雑さの結果であり、物理的な領域を超えたものではないとすれば、おそらく私たちには意識を再現し、さらには超越する希望があるのです。
これは、何十年もの間、人工知能の目標でした。意識が創発することを望んで、仮想的および物理的な、より複雑なネットワークを構築することです。
合成知能として知られる物理学の一分野があり、これをテストしようとしています。これは、コンピュータに考えさせようとする人工知能とは異なります。代わりに、合成知能では、物理学者たちは複雑なナノワイヤーネットワークを構築しています。私たち自身の心の中のニューロンと接続のように作用するワイヤーです。
彼らは、これらのワイヤーを流れる電流のパルスが電子的な思考を表すことを望んでいます。そして、再編成する能力を持つこれらのナノワイヤーには、記憶する能力があるでしょう。
もちろん、これは科学フィクションのように聞こえます。しかし、私たちは思考する機械の夢からほんの数歩離れているかもしれません。
もちろん、デカルトの二元論にしがみつく人々にとっては、これは空虚な探求に過ぎません。物理的なメカニズムが人間のように考えることは決してないからです。
しかし、信じる人々にとっては、それはただ時間と複雑さの問題に過ぎません。そしていつの日か、彼らのネットワークは意識を持ち、生きるようになるでしょう。
しかし、意識が純粋に物理的なものであるなら、より深い哲学的な質問が浮かび上がり始めます。
本当に物理的なプロセスがあなたの頭蓋骨の中の肉質の塊の中で演じられているのでしょうか?
もしあなたが水槽の中の脳で、仮想現実から刺激を受けているとしたらどうでしょうか?
もしあなたが物理的な脳ではなく、単にコンピュータ上で実行されているソフトウェアだとしたらどうでしょうか?
そして、もしデカルトの二元論が正しく、意識が本当に物理的世界を超えて存在するとしたらどうでしょうか? 魂のような何かが存在する、より ethereal な平面?
これは別の哲学的な問いを開きます。おそらく現実のアイデアにとってより困難な問いです。
なぜ意識と思考が人間に限定されるべきなのでしょうか?
それがもっと広く広がっているとしたらどうでしょうか?
意識がどこにでもあるとしたらどうでしょうか?
これは再び科学フィクションの領域に入ったように聞こえますが、この遍在する意識の概念、汎心論は、著名な哲学者たちによって議論されてきました。
宇宙のすべての隅々に住む意識、すべてのもの、すべての粒子が、ある意味で生きているという意識です。
人々、木々、岩、砂、塵、星、銀河、ブラックホール、植物 - すべてが意識を持っています。分子、原子、陽子、クォーク、電子でさえも - 宇宙さえも。
このアイデアは一部の哲学者に愛されていますが、物理学者たちにとっては受け入れがたいものです。
哲学者たちは、それが量子力学の奇妙さと何らかの形でつながっていると彼らに言います。
しかし、物理学者たちは単に、これが彼らが科学と呼ぶものの範囲をはるかに超えていると感じています。
そして、いつものように、両グループはお互いを無視する傾向があります。
すべてのものが意識を持っているのでしょうか? 現実は生きているのでしょうか?
あなたの科学的な心はこれについてしばらく考えますが、それは行き過ぎだと結論づけます。
そこで、あなたは頭を回し、再びりんごを見つめます。
それがあなたの焦点を満たし、あなたの脳があなたの心を横切った現実のすべての側面を処理するにつれて、
あなたはりんごについて、その全体から基本的な部分まで考えます。
そして、その存在と現実について考えるにつれて、
りんごがあなたの存在を考えているのではないかと思います!
あなたは現実に関するあなたの考えがこれ以上奇妙になり得るかどうか疑問に思い始めます。
もちろん、なり得ます。

科学者を想像してください - どんな画像があなたの心に浮かびますか?
多くの人にとって、それは晩年のアルバート・アインシュタイン、しわくちゃの顔に縮れた髪の毛をした姿でしょう。おそらく舌を出している姿です。
あるいは、アイザック・ニュートンが正式な衣装と18世紀のかつらを着けた姿かもしれません。
しかし、これらの画像は、これらの偉大な科学者たちが画期的な業績を上げてから何年も経った後のものです。
いわゆるコメディ番組「ビッグバン・セオリー」は、科学が若者のゲームであることを示しました。そして、笑いのために演じられる不器用さは役に立たない科学的なステレオタイプですが、ほとんどの科学者が若いときに最大のブレークスルーを遂げるという点では正しいのです。
実際、アインシュタインが奇跡の年に26歳だったことを覚えておくことが重要です。
アイザック・ニュートンも、自然に関する最大の洞察を得たときは若い男でした。
1666年、彼はわずか23歳でした。彼はすでに天才ぶりを証明し、ケンブリッジ大学で学んでいました。
しかし、この年は他の年とは違う年でした。
黒死病がイギリスに再び襲来していました。
ペストは14世紀にヨーロッパを荒れ狂い、その後も完全に消え去ることはありませんでした。
何世紀もの間、それは再燃し、ヨーロッパの人口を切り裂きました。
1666年にそれが到来したとき、人々は都市から田舎の相対的な安全へと逃げ出しました。
そして、アイザック・ニュートンはケンブリッジを離れ、リンカンシャーの村ウールソープにある家族の農場に向かいました。
死が土地を徘徊する中、ニュートンは有名なりんごの木の下で慰めを見出し、宇宙の秘密を解き明かすことに心を向けました。
私たちはすでにニュートンの空間と時間に関するアイデアに出会っていますが、もう一度時間について見てみましょう。
彼の運動方程式により、ニュートンは物事が時間とともにどのように変化するかを計算することができました。
そして、時間は3つの明確な部分に分けることができました。
過ぎ去った過去、これから来る未来、そして今という瞬間です。
現実は、この独特の今という瞬間に存在するように思われました。正確で厳密な今です。
過去の状態から現在へと進化し - 私たちは未来に何が起こるかを計算することができます。
しかし、ニュートンの方程式は純粋に決定論的です。もし私たちがある時点で完全な知識を持っていれば、宇宙のどの瞬間の正確な状態も計算することができます。
これは興味深い質問を提起します - ニュートンの宇宙では、本当に過去は過ぎ去ってしまったのでしょうか?
未来は本当に未知で、まだ来ていないのでしょうか?
ある意味では、過去、現在、未来のすべての現実が存在し、今の瞬間は単にこのすでに完成した歴史を通り過ぎているだけで、私たちは現実の一瞬を経験しているに過ぎないのです。
このアイデアは、アインシュタインの相対性理論で激しく復活しました。
単なる背景ではなく、空間と時間は物語の中心となり、各基本粒子がこれら4次元を通って明確な経路、その世界線を描きます。
そして、ニュートンのように、アインシュタインの宇宙も純粋に決定論的で、過去、現在、未来がすべて存在しています。
これはブロック宇宙として知られるようになりました。
そして再び、数学は非常に奇妙な何かについてかなり明確です。
相対性理論の方程式は明確です - アインシュタインの宇宙はブロック宇宙です。
完全な知識があれば、未来について謎はありません。それは今から計算することができるのです。
実際、アインシュタインの方程式は「今」がいつなのかを定義していません - あなたが「今」がいつなのかを定義しなければなりません。
アインシュタインの宇宙には、「今」について特別なものは何もありません。
もちろん、ブロック宇宙はいくつかの不快な質問を提起します。自由意志に関する質問です。
可能な選択肢の中から選択する能力は、人間に固有のものだと思われます。
しかし、ブロック宇宙では、これは単なる幻想です。未来はすでに書かれているからです。
ブロック宇宙はより大きな結果ももたらします。それは再び科学フィクションの領域に踏み込む結果です。
過去と未来がブロック宇宙の中に存在するなら、私たちはそれらに到達できるでしょうか?
そこにはダ・ヴィンチと恐竜、そしてこれから存在するすべてのもの、すべての生き物がいます。
そして、おそらく複雑な時空の経路があり、それによって私たちは私たちの「今」でそれらを経験することになるかもしれません。
しかし、問題はブロック宇宙が単に現実的に感じられないということです - 確かに未来は未知で、まだ来ていないはずです。
そこで、多くの人々がアインシュタインの生の理論を超えて答えを探そうとしました。
最終的に、量子力学の確率的な性質がアインシュタインが正しくないことを示しているように見えました。未来は量子の質問に対する可能な結果から書かれているのです。
そこで、このコンプロマイスから浮かび上がる図は、宇宙があるポイントまではブロック宇宙だということです。
そしてそのポイントが「今」です -「今」は量子の質問に答えが出るにつれて常に構築されています。
「今」はブロック宇宙に別のシートの現実を追加し、私たちの前に未知の未来を展開させます。
過去は私たちの後ろにあるブロックに固められています。
興味深いことに、これはループ量子重力が提供する図です。
量子重力理論の候補の1つである中で、この理論では、空間と時間は常に基本的なループから織り成されています。
「今」は織物の端であり、過去はタペストリーであり、未来は前方の未知です。
私たちの現実、私たちの「今」は、空間と時間の構築の忙しい端にあるでしょう。
これはあなたに考えさせます。
あなたが今見ているりんごは、ほんの一瞬前に見たりんごと同じものでしょうか?
その時間、空間、基本的な構成要素は、究極の基本から常に編み上げられているのでしょうか?
あなたとりんごは、あなたが経験する毎瞬間に書き換えられているのでしょうか?
解体に次ぐ解体の後、あなたの現実に対する把握は確実に滑り落ちているように思えます。
あなたはより単純な質問に落ち着きます - 現実はどこに存在するのでしょうか?
おそらく現実は単にブロック宇宙であり、それがすべてなのかもしれません。おそらく自由意志は幻想なのかもしれません?
あるいはループ量子重力が正しく、現実は展開する宇宙の一瞬として存在するのかもしれません。
しかし、現実の根底にあるもっと深いもの、物理的ではないものがあるとしたらどうでしょうか?
もし底の底で、現実が単なる数字に過ぎないとしたらどうでしょうか?
この概念は、あなたが思うほど奇妙ではありません。
実際、それは基本的な宇宙の仕組みに対する私たちの理解を反映しています。
すべての物理法則の中心に書かれているのは、情報の概念と情報処理です。
物理法則は何をするのでしょうか?
それらは特定の状況について私たちが知っていること、その状況の情報を取り、
例えば空中を飛ぶボールの位置と速度のような情報を、
その状況の将来の情報に処理します。
これはおそらく量子力学のルールで最も明白です。
ここでは、シナリオの情報が波動関数にエンコードされています。
量子のルールは波動関数、情報を未来に進化させます。
物理法則が演じられるにつれて、数字が新しい数字に変換されます。
これはすべて少し難解に聞こえるかもしれません。
しかし、20世紀半ばまでに、情報と熱力学の間に強いつながりが現れていました。
信号を処理する努力にはエネルギーが必要だということがわかったのです。
コンピュータはビットを1から0に、あるいはその逆に反転させるのにエネルギーを消費しなければなりません。
あなたの脳も最も単純な思考を処理するのにエネルギーを消費します。
これらすべてのことから、一部の人々は、すべてが本当に情報処理に過ぎないと提案するようになりました。
コンピュータ上での情報の処理と、
あなたの心の中での情報の処理と、
現実を支える物理的な情報の処理の間に、
根本的な違いはないということです。
そして、これがシミュレーション仮説の基礎となっています。
これは、私たちの思考、記憶、そしてすべての経験が単なる計算に過ぎないと述べています。
これは、以前に遭遇した水槽の中の脳のアイデアよりも深いものです。
物理的な脳はないのです。実際、私たちの現実には、物理的なものは全くありません。
もちろん、シミュレーション仮説は即座に疑問を提起します - これらの計算はいったいどこで行われているのでしょうか?
おそらくこれらは、私たちが何も知ることができないより高次の現実、物理的な領域に存在するのでしょう。
しかし、私たちのシミュレートされた現実の目的は何なのでしょうか? なぜ私たちの創造者は私たちを作ったのでしょうか?
もし私たちがシムズゲームのキャラクターにすぎないとしたらどうでしょう?
実際、シミュレーションが私たちのために作られたのではないとしたらどうでしょう?
もしそれが合成宇宙の他の側面を探るために構築されたとしたらどうでしょう?
そして私たちは予期せぬ副作用に過ぎないとしたらどうでしょう?
創造者たちが私たちの存在について何も知らず、さらに気にもしていないとしたらどうでしょう?
もちろん、これらすべての質問について議論することはできますが、答えは常に私たちから逃れるかもしれません。
しかし、ここ地球上で、物理学者たちは私たちの現実を理解する目的で合成宇宙を生成しています。
また、物理法則が異なる他の仮説的な宇宙も探索しています。
おそらくいつの日か、強力なコンピュータを使って、意識のある創造物が私たちの合成宇宙に住むかもしれません。
この時点で、重要な質問があなたの心をよぎったかもしれません。
たとえ私たちがシミュレートされた宇宙に住んでいて、私たちの現実が完全に合成的だとしても、
確かに私たちの創造者は実際の現実、物理的な現実に住んでいるはずです。
私たちは単に問題を上方に押し上げただけなのでしょうか、それとも亀の上に亀が乗っているのでしょうか?
私たちはこの結論に達します。なぜなら、私たちは計算を実行する物理的なコンピュータ、
私たちの現実を構築し、私たちの宇宙をシミュレートするデバイスがあると想像するからです。
しかし、そうではないとしたらどうでしょう? 現実の物理的な基礎がないとしたらどうでしょう?
計算だけがあるとしたらどうでしょう?
これが数学的宇宙のアイデアです。
数学的宇宙の主要な提唱者は、スウェーデン生まれのマックス・テグマークです。
彼の初期の研究では、現代宇宙論の課題に焦点を当てていました。
しかし、最終的に彼は私たちが持つ最大の質問のいくつかに注意を向けました。
彼の数学的宇宙は、シミュレーション仮説の宇宙に似ていますが、
計算を行う物理的なコンピュータが必要ないという点が異なります。
しかし、これらの計算はどこで実行されるのでしょうか。
何が計算を実行しているのでしょうか? 確かに計算するにはコンピュータが必要です。
しかし、真に基本的であるということは、これらの数学が単に存在するということを意味し、
それらがどこから来たのか、どこに存在するのかについての本当の答えはないでしょう。
興味深いことに、テグマークの数学的宇宙は実際にはマルチバースです。
私たちの宇宙だけでなく、可能なすべての宇宙を含んでいます。
成長する数学的計算の大混乱の中に、私たちの特定の現実だけでなく、
すべての可能な現実があり、それぞれが独自の明確な数学的構造によって定義されています。
このマルチバースを横断すると、私たちの宇宙と非常に似た数学があるはずです。
あなた、つまりあなたが本当に何であれ、の複数のバージョンが外にあるはずです。
私たちの宇宙とはかなり異なる他の宇宙もあるでしょう。
基本的な力の強さや、空間と時間の次元が異なる宇宙です。
可能な数学のライブラリは膨大で、おそらく無限です。
しかし、それは確実に、私たちが宇宙を記述するのに使用する数学的構造の部分集合よりもはるかに大きいです。
つまり、基本的な数学の海の中には、もっと、もっと多くのものがあり得るのです。
私たちが夢見たことのない宇宙だけでなく、私たちが決して夢見ることができない多くの宇宙があるかもしれません。
そして最後の恐怖、現実の見込みが数学的宇宙に存在します。
それは無限と結びついています。
時々、無限の計算の海の中で、正しい計算がランダムに一緒に集まります。
これらの計算は、あなたの心、あなたの記憶と現実で満たされた心のように見えます。
一瞬で、あなたが作られ、おそらくりんごについて考えているでしょう。
この真新しい心にとって、そのすべての記憶とともに、すべてが完全に正常に見えます。
彼らは人生の大きな出来事を覚えており、木からりんごを摘んだことも覚えています。
しかし、この心の存在は一時的なものに過ぎず、単なる数学的な変動に過ぎません。
この心の数学的構造が存在するようになったのと同じくらい速く、それは洗い流されて消えてしまいます。
この意識は、私たちの意識と同じくらい現実的な経験を持っていますが、一瞬で消えるように運命づけられています。
実際、これらの比較的小さな数学的変動は、私たちの宇宙全体の可能性を大きく上回るでしょう。
あなたはランダムにこれらの心の1つではないとどうやって知ることができるでしょうか?
あなたが考えている現実的なものが、ほんの一瞬前に存在していたとどうやって知ることができるでしょうか?
あなたがまさに消滅しようとしていないとどうやって知ることができるでしょうか?
この時点で、あなたは「まあ、これは馬鹿げている」と思うかもしれません。
私は数学的構造ではないことを知っています。そして、私に起こったことを覚えています。
一時的な存在である可能性はありません。私は本当に現実であることを知っています。
しかし、残念ながら数学的宇宙を取り除いてもこの問題は解決しません。
私たちの宇宙には無限の時間が前にあると信じられています。
そしてこの無限の間、宇宙は冷たく空っぽになるでしょう。
最後の星が死に、最後のブラックホールが背景に蒸発した長い後に。
そして、私たちは宇宙の物語の終わりに達したように思えるかもしれません。
私たちの未来の空っぽの宇宙ではあまり起こらないでしょう - きっと静かで、出来事のない場所になるでしょう。
しかし、未来の宇宙は、思われるほど死んで埋葬されてはいないかもしれません。
そしてこれを理解するには、物理学で最も誤解されている概念の1つであるエントロピーを探る必要があります。
ルートヴィヒ・ボルツマンは19世紀科学の最も洞察力のある頭脳の1つでした。
広く受け入れられる前に、彼は原子仮説の支持者でした。
最小レベルでは、物質は不可分の原子でできているという考えです。
そして彼は、エネルギーの流れの法則である熱力学を、これらの目に見えない原子の運動の観点から再構築しました。
ボルツマンの見方は、当時の科学の偉人たちから批判を受けました。
しかし、1906年の彼の死の直前に、原子の直接的な証拠が現れ始めました。
原子の領域について考える中で、ボルツマンはそれらがどのように配置されうるかについて考えました。
あなたの周りの空気について考えてください。窒素、酸素、炭素の原子が無数の分子に結合しています。
これらの分子は飛び回り、互いに、壁と、そしてあなたと衝突しています。
しかし、どの瞬間も、原子と分子のすべての配置は完全に区別がつかないように見えます。
経験は、原子が自発的に部屋の一角に集まる可能性は低いことを教えてくれます。
しかし、もし最初にすべての空気の原子が一角にあったとしたら、それらは急速に広がって部屋全体を満たすでしょう。
ボルツマンは、これの違いが単に統計の問題であることを示しました。
特定の原子配置が、より一般的な配置に進化するのです。
この配置の進化、特定から一般への進化は、エントロピーの増大として知られており、
それは宇宙の最も基本的なルールの1つとなりました。
これらの特定から一般への原子配置の概念は、別の方法で考えることができます。
秩序は最終的に無秩序に道を譲るのです。
これをエネルギーの観点から理解しようとしてみましょう。
特定のシナリオの総エネルギーは一定でなければなりません - これは熱力学の別のルールです。
しかし、すべてのエネルギーが同じではありません。一部は有用で、一部はそうではありません。
エントロピーの増大は、有用なエネルギーが使えないエネルギーに劣化することを意味します。
圧縮空気のシリンダーがあるとイメージしてください。
このシナリオは、部屋の隅にすべての空気がある状況に少し似ています。
この非常に特定のケースは、多くの有用なエネルギーを持っているため、低エントロピーであると言われます。
そして、このエネルギーを利用するには、バルブを開けるだけです。
バルブからの空気の噴出は車輪を回転させるのに使えます。
そして、この回転する車輪は、電流を生成するなど、何か有用な仕事をするのに使えます。
しかし最終的に、すべての圧力が均衡すると、空気の噴出は止まります。
車輪は回転を止め、もはや有用なエネルギーを抽出することはできません。
これはすべての物理的プロセスに当てはまります。有用なエネルギーは常に使えないエネルギーに劣化します。
実際、あなたの体は常にエントロピーの増大と戦っています。
しかし、そうするには、あなたが食べる食物から集中したエネルギーの供給が必要です。
それをより使えないエネルギーの形、廃棄物や赤外線の輝きに処理します。
あなたは宇宙のエントロピーを絶えず増加させる役割を果たしています。
エントロピーは時の始まりから上昇し続けており、有用なエネルギーは常に減少しています。
宇宙が非常に低いエントロピー、つまり多くの有用なエネルギーで生まれた理由は答えが出ていません。
しかし最終的に、遠い将来には、宇宙に有用なエネルギーが残らなくなり、
宇宙は最大エントロピーの状態に入るでしょう。
そして、以前に見たように、私たちの物語の終わりに達したように思えるかもしれません。
最大エントロピーの宇宙で、利用可能な有用なエネルギーがない状態で何が起こり得るでしょうか?
しかし、ボルツマンが示した熱力学の法則は統計的な性質を持っていることを覚えておいてください。
そして、これらの統計では、確率に縛られていても、一見不可能に思えることでも最終的には起こる可能性があります。
おそらく、部屋の空気が自発的に一角に集まったり、ビリヤードの球が開始位置に再配置されたりするかもしれません。
ボルツマンは、これは非常に起こりにくいが、十分長く待てば必ず起こると言いました。
どれくらい長くかかるかは非常に長い時間、現在の宇宙の年齢よりもはるかに長い時間かもしれません。
しかし、未来の宇宙に豊富にあるものが一つあるとすれば、それは時間です。
究極の無秩序状態である未来の宇宙では、時々秩序が自発的に生じるでしょう。
そして、時々、熱力学と量子力学の法則が変動します。
これらの変動は一般的に、いくつかの粒子を存在させてから再び変動して消えさせます。
宇宙は静かで出来事のない状態に戻ります。
そして、さらにまれに、変動はより実質的なものを存在させます。
消えるほど稀に、人間の心の複雑さが変動して存在するでしょう。
通常、これらは白紙の状態で、一つの思考も持たずに消えます。
しかし、さらに稀に、記憶と経験を持つ心が発生します。
これらの束の間の心は、ボルツマンの脳として知られており、非常にまれな出来事です。
しかし、無限の時間があれば、それらは何度も何度も現れるでしょう。
そして何度も何度も、あなたの正確な意識が存在するようになるでしょう。
あなたのすべての記憶と経験を持つあなたの意識が。
無限回。
これらのうちの1つをランダムに選ぶと、あなたが冷たく死んだ宇宙のボルツマンの脳である可能性の方が、
緑の熟したりんごを楽しむ肉体を持つ人間である可能性よりもはるかに高いのです。
あなた - このビデオを見ている心 - は一時的なものです。
あなたの存在は単なる変動に過ぎず、一瞬のうちに消えてしまうでしょう。
あなたがたった今存在し始め、まさに消えようとしていないことをどうやって絶対に確信できるでしょうか?
あなたがまだここにいることを確信できますか?
はい。少なくとも今のところは。
そして、最後にもう一度、あなたの目は孤独なりんごに落ち着きます。
あなたをこの現実の本質を探る旅に送り出したりんごです。
あなたの心は、まどろみの中で遭遇したすべてのバージョンの現実を駆け巡ります。
プラトンの形相から、奇妙な量子力学の世界を経て。
ブロック宇宙を横切り、ホログラフィック宇宙の内外を通り抜けて。
しかし、あなたの胃が鳴り始めると、明晰さが戻ってきます。
再び、あなたはりんごに焦点を合わせます。
手を伸ばしてそれを拾い上げ、手の中でその皮の滑らかさを感じます。
あなたは一口かじります。