物理学の新発見が全てを変える可能性

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物理学の新しい発見についてよく耳にしますが、今日それは私たちに何をもたらすのでしょうか。光より速く移動したり、無限のエネルギーを生み出したり、ブラックホールの秘密を解き明かしたりすることができるようになると想像してみてください。新物理学はそれらすべてを約束してくれますが、それは本当に可能なのでしょうか。今日は、これらの約束が現実的なものなのか、それとも単なる夢物語なのかを見ていきましょう。皆さんは驚くかもしれません。
ダークマターの発見、量子重力、統一理論などへの潜在的な有用性を検討してみたいと思います。こんな基本的な疑問についてまだ話していないことが信じられません。それは何の役に立つのか、とても明白な質問なのに、なぜ私たちはそれを問うことをやめてしまったのでしょうか。
有名な物理学者リチャード・ファインマンは、その独特のユーモアを交えて「物理学は実用的な応用のためではなく、発見のために行うものだ」と語っています。今日の世界情勢を考えると、物理学者たちも実用的な応用について真剣に考え直す時期かもしれません。しかし、新物理学には本当に実用的な応用があるのでしょうか。
新物理学とは、メディアが基礎的な発見、つまり以前は知られていなかった自然の法則について語るときに使用する標準的な表現となっています。実際、これは物理学の多くの分野にとって侮辱的でさえあります。それを推測する必要すらありません。なぜなら、それらの分野の研究者たちが常に不満を漏らしているからです。私は研究室でそれを何度も目にしてきて、もはや日常茶飯事となっています。
最近のノーベル物理学賞を見てみると、純粋な物理学以外のものを除けば、トポロジカル絶縁体やFTQH測定などに授与されています。これらは新しく、物理学的なものでしたが、それを新物理学と呼べるでしょうか。答えは「いいえ」です。なぜなら、これらの発見はすべて既知の理論の枠組みの中に収まっていたからです。
今日使用されている「新物理学」という用語は、既存の理論では説明できないものを指します。例えば、ダークマターやダークエネルギーの正体を突き止めること、統一理論の発見、量子重力理論の確立、あるいは量子力学が正しくないことを証明することなどです。これらは何の役に立つのでしょうか。それが今日お話ししたいことです。
新しい発見は、知識の獲得と実用的な応用の両方をもたらす可能性があります。ダークマターの重要性をより良く理解するために、私たちの宇宙を巨大なパズルに例えてみましょう。そこでは85%のピースが欠けているのです。しかし最も奇妙なのは、これらの欠けているピースの影響が見えることです。まるで目に見えないビリヤード台が、ボールの軌道に影響を与えているようなものです。
世界中の科学者たちは、ダークマターを検出するための魅力的な実験を行っています。地下の高度に保護された研究施設では、超高感度の検出器がダークマター粒子が通過するのを忍耐強く待っています。CERNの物理学者たちは、粒子衝突実験でダークマターを生成することを期待しています。そして宇宙では、望遠鏡がダークマターが最も濃密に存在するはずの銀河の中心を観察しています。
ダークマターの性質についてはいくつかの理論があります。弱い相互作用をする重い粒子（WIMPs）だと考える人もいれば、波のように振る舞うほど軽いアクシオンに賭ける人もいます。さらには、時空の追加次元に関連している可能性を示唆する、より特異な理論もあります。
もしダークマターを構成する粒子がついに発見されたとして、私たちは何を学べるでしょうか。それは、銀河がどのように形成され、時間とともに進化するかを理解する上で、ほぼ確実に役立つでしょう。なぜなら、銀河の形成と合体の詳細は、粒子の質量や相互作用率といった特性に依存しているからです。同じ理由で、銀河フィラメントの大規模構造の理解にも役立ち、さらには宇宙の始まりにおける物質の出現についても理解を深められるかもしれません。
しかし、それ以外については、あまり役に立たないかもしれません。なぜなら、もしダークマターが粒子であるなら、それは通常の物質を単に通り抜けることが既にわかっているため、捕捉したり何かに利用したりすることはできないからです。
ダークマターの代わりに、重力が修正されているという可能性もあります。この場合も、宇宙がどのように現在の姿になったかについて多くを学べますが、実用的な観点からは、この知識で多くのことはできません。理由はダークマターの場合と似ています。もし重力が修正されているとしても、私たちの近傍では非常に小さな修正でなければならないことが既にわかっています。そうでなければ、私たちは既にそれに気付いているはずだからです。
とはいえ、もし私たちが将来、宇宙を旅する種になるのであれば、ダークマターが人々にどのような影響を与えるのか、あるいは修正された重力をどのように適切に考慮するべきかを知っておく必要があると思います。間違った方程式を使って、間違った銀河に行き着いてしまうのは困りものです。
次に統一理論について見ていきましょう。大統一理論とは、素粒子物理学の標準モデルにおける3つの相互作用（電磁気力、強い核力、弱い核力）の共通の起源を示す理論の名称です。大統一理論には、まだ測定されていない追加の粒子が伴います。重いゲージボソンや、より複雑なヒッグス粒子、追加のフェルミオンなどです。これらの粒子の中には、ダークマターを構成する可能性があるものもあります。
他の粒子には実用的な用途があるでしょうか。いいえ、なぜならもしこれらの粒子が存在するとしても、その生成には莫大なエネルギーが必要か、生成確率が極めて低いことが既にわかっているからです。そうでなければ、粒子加速器で既に出現しているはずです。どちらの場合も、それらを何かに利用することは完全に不可能です。
大統一理論は、原理的には標準モデルの粒子の特性を計算することを可能にするかもしれません。しかし実際には、私たちは既にそれらの特性を知っているので、そこから得られるものはあまりありません。さらに、大統一理論は通常、破れなければならない大きな対称性群と共に機能します。この対称性の破れは多くの新しいパラメータを導入し、これらの理論を計算の面で単純なものからはほど遠いものにします。物理学者たちがよく言うこととは反対に、これらの大統一理論は実際には標準モデルよりも複雑なのです。
次に量子重力について見てみましょう。これは重力と量子物理学を組み合わせた理論です。なぜこれがそれほど重要なのかを理解するために、それぞれ完璧に動作する2つのビデオゲームを想像してみてください。しかし、それらを一緒に実行しようとすると完全にクラッシュしてしまいます。これは、私たちの2つの最高の理論である一般相対性理論と量子力学で起こっていることとまさに同じです。それぞれ独立では素晴らしく機能しますが、協調することを拒否します。
量子重力で最も魅力的なのは、それが絶対的に基本的な質問に答えてくれる可能性があることです。空間と時間は本当に連続的なのか、それとも時空の「ピクセル」のようなものから成り立っているのでしょうか。空間を無限に拡大していくと、最終的にその基本的な構成要素が見えるのでしょうか。
ブラックホールは、この物語において特に興味深い存在です。ブラックホールの中心では、私たちの現在の理論は不可能なことを予測します。無限に小さな点で、無限の密度を持つというものです。物理学では、方程式に無限大が現れるとき、それは通常、理論を見直す必要があることのサインです。量子重力は、この謎を解く鍵となる可能性があります。
私たちが現在使用している重力の理論は一般相対性理論で、それは重力を時空の歪みとして記述します。したがって、量子重力理論は空間と時間の量子的性質も教えてくれるはずです。しかし、空間と時間は因果関係と光速度の制限を生み出します。つまり、量子重力はこれらの規則を回避したり破ったりする方法を教えてくれる可能性があります。
量子重力は、ブラックホールの内部や宇宙のビッグバンで何が起こったのかを教えてくれると期待されています。もちろん、それが機能するかどうかはわかりませんが、これは合理的な期待です。
ただし、量子重力も前述と同様の問題を抱えています。これらの効果が弱く、観測が困難であることがわかっています。そうでなければ、既に測定されているはずだからです。これは、量子重力が多くの実用的な応用を持つ可能性を低くしています。
しかし理論的な観点からは、量子重力の理解は大統一理論やダークマターよりもほぼ確実に実りの多いものとなるでしょう。なぜなら、最初の2つは現在使用している数学的枠組み（量子場の理論）に比較的容易に組み込むことができるからです。しかし、量子重力についてはそれが機能しないように見えます。最近話題に上がったスティーブン・ウルフラムのハイパーグラフや、ジョナサン・オッペンハイマーのポスト量子重力のような、完全に新しいものが必要なようです。これが、物理学者たちが大統一理論よりも量子重力に興奮する傾向にある理由です。
これは、量子物理学自体の問題に私たちを導きます。量子物理学では、測定時に何が起こっているのかを本当には理解していないという問題があります。しかし、その前に私の新しいプロジェクトについて手短にお話ししたいと思います。
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測定に関する標準的な扱い方は、「そこで量子効果が消失する」と言うことです。消失することはわかっていますが、具体的にどのように消失するのでしょうか。基本的に、量子的な性質を持つ物体は小さい傾向があり、持たない物体は大きいのですが、その詳細は理解できていません。それは単なるサイズ、全体の質量、粒子の数の問題ではないようです。測定が起こるかどうかは、粒子が何をするか、測定したい性質をどのように増幅するかに依存しています。これを理解できれば、量子効果がいつ持続するのかをより良く理解できるでしょう。
また、量子物理学には光速よりも速く見える奇妙な非局所的な振る舞いがあることも覚えておいてください。それがそうだとは言いませんが、そうかもしれません。つまり、量子物理学における測定を理解することは、局所性と光速度の制限についてより多くを学ぶもう一つの方法なのです。
新物理学の中で、これが最も応用に近いと私は考えています。検出器とは何かを理解できれば、より良い検出器の構築に役立つかもしれないと考えるのは、決して誇張ではありません。しかし、この問題が応用に最も近い理由はもっと一般的です。それは、測定のプロセス、つまり量子効果の消失が、実験的にアクセス可能な領域にあるからです。重い新粒子や量子重力の微弱な影響とは異なり、これは常に私たちの目の前で起こっています。そのため、特定の応用に役立つ可能性があると思います。
例えば、核融合は基本的にトンネル効果のプロセスであり、これは量子現象です。量子物理学の仕組みをより良く理解できれば、このプロセスに影響を与える方法で、まだ考えついていないものがあるかもしれません。そうなるとは言いませんが、それは可能性の一つです。
ところで、基礎物理学について語るとき、多くの人々はそれが現実から切り離されていると考えます。しかし、周りを見てください。アインシュタインの一般相対性理論がなければ、GPSは機能しません。スマートフォンで写真を撮るたびに、量子力学の発見である光電効果を使用しています。LEDディスプレイもまた量子力学です。病院のMRIはスピンの量子物理学です。
これこそが新物理学の魅力的な点です。どの基礎的な発見が、どの革新的な応用につながるのか、決して予測できないのです。アインシュタインが相対性理論に取り組んでいたとき、一世紀後にその方程式がGoogleマップの使用に不可欠になるとは想像もしていませんでした。シュレーディンガーが量子方程式を扱っていたとき、それが将来量子コンピュータの創造を可能にするとは想像もしていませんでした。
今日、これらの新しい理論は抽象的に見えるかもしれませんが、明日のテクノロジーの源となる可能性があります。ダークマターの理解が新しい形の宇宙推進力につながるかもしれませんし、量子重力によって私たちがまだ想像もしていない方法で時空を操作できるようになるかもしれません。
ダークエネルギーについてはどうでしょうか。ダークエネルギーの問題は、それが存在するかどうかではなく、極めて希薄であることです。たとえそれを利用する方法を知っていたとしても、あまり役に立たないでしょう。
最後に、決して過小評価すべきでない点として、これらの問題の一つを解決することは、他の問題の解決にも役立つかもしれません。ダークマターの正体を突き止めることは大統一理論に役立つかもしれませんし、その逆もありえます。修正重力は量子重力の理解に役立つかもしれませんし、量子重力は逆に統一理論の理解に役立つかもしれません。
実用的な応用を超えて、新物理学は私たちの現実の本質について、本当に深い問いを投げかけます。もし空間と時間が量子的であるなら、それは私たちの時間の認識にとって何を意味するのでしょうか。時間は私たちが認識しているような形で本当に存在するのでしょうか。量子物理学は、現実が根本的に不確定である可能性を示唆していますが、それは未来が書かれていないことを意味するのでしょうか。
そして量子測定について語るとき、私たちの意識はそこでどのような役割を果たしているのでしょうか。これらの問いは単に哲学的なものではありません。もし宇宙が根本的に不確定であることがわかれば、それは自由意志に対する私たちの見方を変えるかもしれません。もし意識が量子測定において役割を果たすことが証明されれば、それは心そのものについての私たちの理解を革新するかもしれません。
ダークマターさえも実存的な問いを投げかけます。宇宙の物質の85%が目に見えず、感知できないのだとすれば、現実を理解する上で私たちの感覚をどれだけ信頼できるのでしょうか。
おそらく、これが新物理学の最大の教訓なのでしょう。宇宙は私たちが想像していた以上に奇妙で神秘的だということを、それは私たちに思い出させてくれるのです。