時間は嘘である(重力のせいだ) - マット・ストラスラー

33,465 文字

マット・ストラスラーです。私は理論物理学者で、最近「不可能な海の波」という本を出版しました。この本は宇宙と、宇宙が日常生活とどのように関わっているかについて書いたものです。
あなたの本を一度ならず二度読みました。「不可能な海の波」は、約10年前にブライアン・グリーンの「エレガントな宇宙」を初めて聞いたときのように、私の周りのすべてのことを疑問に思わせてくれました。
素晴らしいですね。それがまさに本の目的だったので、そのような影響を与えられて嬉しいです。
銀河系内に他の知的生命体が見つからない理由について、何か考えはありますか?
それはとても良い質問ですね。銀河系、つまり私たちの恒星の都市には1兆個の星があり、その大きさは約10万光年にわたります。光が銀河系を横断するのに10万年かかるということは、光速の1万分の1という、それほど速くない速度で移動しても、1000万年で横断できるということになります。
もし銀河系の反対側のある惑星で文明が生まれ、銀河の植民地化を始めたとすれば、1000万年後には私たちのところにも到達していたはずです。地球は45億年の歴史があり、宇宙は140億年、銀河系はおそらく120億年くらいの歴史があります。正確な年数はわかりませんが、なぜ様々な恒星で文明が生まれ、銀河を植民地化し、ここに来て、私たちが今までに見つけられるような痕跡を残していないのでしょうか。
これがパラドックスです - みんなはどこにいるのか? これは本当に良い質問で、この議論の前提となる仮定は何かを考えざるを得ません。それは理にかなった議論ですが、多くの仮定に基づいています。
明らかな可能性の1つは、生命が極めて稀少で、私たちが銀河系で最初の生命、あるいは少なくとも最初の知的で道具を作る生命である可能性です。
それは私には納得がいきません。宇宙には1000億個の銀河があるのですから、私たちが宇宙で唯一の生命だとは決して考えられません。私たちの銀河系内でさえ、たくさんの星があり、そのほとんどに惑星があることがわかっています。
では、これに影響を与える可能性のある要因は何でしょうか。重要なのは、私たちが道具を作り、今や宇宙空間を旅する種であることは確かですが、その過程で通常とは異なる可能性のある要素が多くあるということです。他の知的生命体の典型的な行動を調べる機会がないので、私たちにはわかりません。
覚えておく価値のあることの1つは、居住可能な恒星の周りには多くの惑星があるものの、すべての恒星が安定しているわけではないということです。実際、存在する恒星の大部分を占める赤色矮星は、フレアが多く発生し、その表面の生命を死滅させる可能性があるため、かなり危険かもしれません。
しかし、これは生命が存在しないということを意味するわけではありません。私たちの太陽系でも、惑星の周りの衛星に地下の海があり、それらは保護されています。実際、それは非常に安全な場所です。惑星表面の居住可能域は狭い範囲ですが、地下に住むことを許容すれば、他の多くの場所でも生活できるでしょう。これは、宇宙の生命のほとんどは表面ではなく地下に存在する可能性を示唆しています。表面は危険すぎます。
リザードピープル?
でも地下に住んでいたら目は必要ありません。リザードピープルではなく、盲目の生命体になるでしょう。目があっても意味がありません。光がないのですから。
宇宙に進出したり電波を送信したりする必要のない惑星に住む生命体がたくさんいるかもしれません。まず、星が存在することすら、地表を貫通できる技術を開発するまではわかりません。100キロメートルの厚さの地殻を突き抜けるのは簡単なことではありません。
宇宙船を建造して...知らない星々に向けて何かを送信するのは非常に困難でしょう。地下で知的生命体として、星々に何かを送るために必要な技術のレイヤーの数を考えてみてください。まず星の存在を発見する必要があります。自分たちの星でさえ、発見するのは簡単ではありません。
ニュートリノ検出器を使えば可能ですが。私たちはニュートリノで太陽を見ることができます。ニュートリノについて学べば、太陽を発見することはできます。しかし他の星を発見するのは非常に困難です。
存在すら知らない銀河を探検しようという意欲を持つまでに、それを理解するのに長い時間がかかる可能性があります。それが1つの問題です。
もう1つの問題は、私たち人間は道具を作りますが、この惑星には道具をあまり作らない、あるいはまったく作らない知的生命体がたくさんいるということです。クジラは明らかにかなり賢く、コミュニケーションに多くの時間を費やしています。彼らが何を話し、なぜ話しているのかはわかりませんが、道具、船、水上に浮かぶものを作ることには興味がありません。
なぜ興味がないのでしょうか? わかりません。能力がないからかもしれませんし、単に興味がないだけかもしれません。おそらく、ほとんどの知的生命体は探検に興味がないのかもしれません。それは人間特有の特徴で、珍しいのかもしれません。私たちにはわかりません。
手があるということも重要です。手は道具を作るのに適しています。ヒレは道具を作るのには適していませんが、地下の海で泳ぐのには非常に適しています。生存のために道具を作る必要がない場合、私たちが当たり前と考えている種類の技術を開発する能力がない可能性があります。少なくとも、それはずっと難しいでしょう。
では、その道具で何をするのでしょうか。私たちの種は、少なくともいくつかの社会において、非常に貪欲で探検好きであることが判明しました。私たちは物を作るのが好きで、作ったものを使ってさらに多くのものを手に入れ、さらに多くのものを作ります。
そして、私たちはどれほど知的なのでしょうか。私たちは生活をますます困難にし、物事をますます危険にするものを作り続けています。本当に知的な種は、これは悪い考えだと気づくかもしれません。
それはパラドックスの新しい解釈ですね。今まで聞いたことがありません。
本当に賢い種は「私は探検したくない」と言うかもしれません。そしてもう1つ、ディラン、あなたは本当に銀河を探検したいですか? 光速の1%で送り出されたとき、その星に到達するまでに100年かかり、そこで何を見つけるかわかりません。
私はよくわかりません。あなたは自分の種のすべての個人、今まで知っていたすべての人々を置き去りにし、進化した惑星を離れ、大気が有毒な惑星に向かい、到着まで100年かかり、宇宙船に1万人ほどの他の個人と閉じ込められ、家に帰ることもできず、外出もできず、休暇に行くこともできず、何か問題が起きれば死んでしまう...そんな場所に向かうのです。
おそらく意味がないのかもしれません。宇宙を探検することは意味がないのかもしれません。十分に知的な存在なら...光速より速く移動する方法を見つけられれば話は変わりますが、すべての証拠は、宇宙がそれを不可能にするだろうということを示しています。
そのため、本当に光速の一部の速度で宇宙を探検しなければならないとすれば、本当に知的な種には、実際にそうしたいと思う個体がたくさんいるのだろうかと考え始めます。私にはわかりません。
この波の世界のどこかで、他の知的生命体によって作られた信号を発見する可能性はありますか? それとも、それは単なる物理的なパターンなのでしょうか?
ここに問題があります。光速は他の速度制限とは異なります。かつて音速は実用的な限界だと考えられていました。音速より速い飛行機は作れないと思われていました。応力で壊れてしまうからです。しかし、それは事実ではないことが判明しました。実際に音速より速く飛ぶことは可能です。
音速が意味のある制限である理由は、音速について話すとき、空気に対する音速について話しているからです。空気は物理的なシステムです。空気に対して静止しているかどうかを判断できます。空気を通過するとき、風を感じるからです。
つまり、毎秒約1100フィートの風速を感じるほど速く空気を通過できるかということが、意味のある質問なのです。誰かが叫んだとき、超音速機に乗って叫び声の音波に追いつけるかどうか、それが音について考える方法です。音波は外に向かって進んでいきます。
光は根本的に異なります。アインシュタインという天才が、私が今から言うことが可能だということを理解するまでに時間がかかりました。実験的に実現したわけではありませんが、光と電磁気学について知っていたこと、そしてガリレオと運動について知っていたことに基づいて、何が起こっているのかを推測しました。
誰かがフラッシュを焚き、光波が進み始め、あなたが最速の宇宙船に乗って光波に追いつこうとする場合を考えてみましょう。想像できる最も強力なエンジンを搭載し、加速し続けます。あなたの視点からすれば、光は速くなるように見えるはずです。より速く移動すれば光に追いつくはずだと思うでしょう。
しかし、追いつけません。まるで悪夢のようです。あなたが速く走れば走るほど、光もより速く走ります。
これが意味するのは、光速は音速とは異なるということです。超音速機やほぼ超音速の機体で、あなたから離れていく音波に追いつくことはできます。しかし、すでに通過した光波に追いつくことは決してできません。光波は常にあなたに対して光速で移動し続けます。
そう言うと非常に奇妙に聞こえますが、重要なのは、これは光についてだけの話ではないということを強調することです。これは宇宙と、空間と時間が実際にどのように機能するかについて何かを教えてくれています。空間と時間の働き方が、光に追いつくことを不可能にし、したがって光より速く移動することを不可能にしているのです。
物質とは何なのでしょうか? 私が座っているこのもの、私がいるこの世界は何なのでしょうか?
それは科学者が100年以上かけて答えを見つけた大きな問いです。学校では、物質は原子でできており、原子は素粒子でできていると習いますが、通常そこまでです。素粒子とは何か、それらはどこから来たのかについて、私たちは本当に考えません。
化学の授業で得られるイメージは、原子を組み合わせて物を作るというものです。それは砂で砂の城を作るようなものです。小さな球のような物体があり、それらを結合して構造を作ります。したがって、素粒子も同じように、砂粒のような小さなものであり、それらからすべてを作ると想像します。
あるいは、雪の結晶から雪の彫刻を作るように。それは非常に直感的な考え方で、実際に私たちは生活の中でそのような小さな粒から物を作っています。この考え方は非常に直感的なので、科学者たちは何百年もの間、世界がそのように作られていると想像してきました。
ある意味で、この考えはギリシャ人にまで遡ります。彼らは世界が小さな球のような物体でできているという考えを持っていました。しかし、それは完全に正しい描写ではないことが判明しました。
全くそうは感じられませんね。だからこそ、これは面白い会話なのです。
物事がレンガのように、砂粒のように、固体のように作られているのではないということ、そしてその問題のもう一つの側面として考えられるのは、物質の不在とは何か、箱からすべての物質を取り除いたら何が残るのかということです。
明らかな答えは「何もない」ということでしょう。地球から遠く離れた宇宙空間、惑星から遠く離れたところで、箱の中に何があるかと聞かれれば、箱の中には何もない、つまり空っぽだと答えるでしょう。しかし、それも正しくありません。
これら2つの驚きは関連しています。物質は実際には砂粒のようなものではなく、普通の空間も実際には空っぽではないのです。これが本の出発点です。考えるべきいくつかの驚くべきことがあります。
夜空を見上げて宇宙を見るとき、それは確かに空っぽに見え、空っぽのように振る舞います。地球は何にも衝突することなく宇宙空間を飛んでいます。ただそこを動き回っているだけです。私たちはそれを空の空間と呼びます。すべてがそれは、物事が存在し、物事が起こる空の容器のように見えます。
しかし、完全に狂っているように聞こえるかもしれませんが、宇宙は実際には満ちているということを提案させてください。地球が岩で満ちているように、大気が空気で満ちているように、宇宙は詰まっているのです。それは物質なのです。
この会話の最後までこの考えを完全に維持するわけではありませんが、少なくともそのように考えてみてください。あなたは当然、それは狂っていると言うでしょう。空の空間を通って動くことができますし、地球も空の空間を通って動くことができます。でも、もし宇宙が岩でできていたら、地球はどうやってその中を通り抜けることができるでしょうか。
同様に、もし宇宙が大気のようなものだったら...私が大気の中を走ろうとすると顔に風を感じますが、地球は毎秒数キロメートルもの速さで太陽の周りを回っているのに、何も感じません。
魚が水の中を泳いでいることを知らないように、私たちは空気の中にいることを知らないというように?
私たちは空気に気付かないかもしれませんが、注意を払えば、それが存在することはある程度わかります。ギリシャ人はそれを理解できました。彼らは真空を作ることができることに気づき、それは空気の不在であることを知りました。顔に風を感じることができます。
魚であっても、水が存在することを感じることができる方法はあります。それが何なのかわからないかもしれませんが、通常は気付かなくても、努力すれば感じることができます。しかし、私はさらに微妙なことについて話しています。
あなたも私も固い岩を通り抜けることはできませんが、地球の片側で地震が起きると、その地震の波は地球を通り抜けて反対側に到達し、地震計で検出されます。これが...ただし原子は同じ場所にとどまっています。
原子はほぼ同じ場所にとどまります。地震波が原子を波打たせるからです。これらの地震波は岩の中の波です。岩の中の波は、岩が存在することにほとんど気づきません。減速することもありません。
音波も同様です。私の声とマイクの間を横切る音波は、まるで空気が存在しないかのように空気の中を移動します。それらは空気の振動だからです。
したがって、宇宙が満ちていても、私たちが見る光がある意味で宇宙の振動である限り、それは気づかずに宇宙を通り抜けることができます。そして私たちや地球を構成するすべてのものがある意味で宇宙の振動である限り、問題なく宇宙を滑るように通り抜けることができます。
あなたの本の中で、私の心を打った部分の1つは、岩をカップに投げつけてスタンドから落とすことができるけれど、紐を取り付けて波を起こすこともでき、その波自体にカップを倒すのに十分なエネルギーがあるという話でした。直感的にはある程度わかっていましたが、それがエネルギーであり、他のものを押すことができる、おそらく物質に近いものだとは考えたことがありませんでした。
波が情報とエネルギーを場所から場所へ運ぶことができるという事実は、波が特定の点で粒子とそれほど違わないことを示しています。ボールにはエネルギーを運ぶことができます。ボールに情報を書いて投げれば、ボールはエネルギーと情報の両方を運びます。
しかし、私たちは光波を使って情報とエネルギーの両方を常に運んでいます。したがって、波がそれをできることは知っています。ただ、それが物質や原子、私たちを構成するものにも当てはまる可能性があるとは、後で説明する理由で、私たちには思い浮かびません。
でも、あなたが言うように、波が何かを通り抜けるとき、少し揺れます。本の中のもう1つの例は、フットボールの試合で人々が波を起こすかもしれないという話でした。みんな自分の席に座ったままですが、波が起こり、その波がスタジアムを回ります。誰も走り回っているわけではありませんが、波はずっと速く移動します。
地震波が通過する岩や、音波が通過する空気、あるいは最も身近な例である海のような媒質がある場合、海の波は海を横切って移動しますが、水は波と同じ方向に流れているわけではありません。水はこのような小さな変動を除いてほとんど静止したままです。しかし、波は、その波の基礎となる物質がほとんど動かないまま、一方から他方へ移動することができます。
したがって、宇宙はこのような物質のようなものである可能性があります。後で説明する理由で、それが物質だとは断言しませんが、波を収容し、その波が途方もない速度で移動して様々な興味深いことができるという意味で、物質のように振る舞っています。空間自体がそうする必要はありません。
では、「無」について十分に説明できたと思いますか?
ここで強調することが重要なのは、宇宙が物質のように振る舞い、私たちや私たちを構成するものがその物質の中の波のように振る舞うという可能性について話してきましたが、これは新しい投機的なアイデアではないということです。
この本で、そしてこの説明で私が試みているのは、過去75年間に粒子物理学者が学んできたことを結晶化し、特徴づけることです。これは粒子物理学者が標準モデルと呼ぶ言語です。粒子物理学で起こるすべてのことを説明するために使用する方程式のセットです。これは信じられないほど成功した方程式のセットで、私たちが測定できたすべてのことを例外なく予測します。
ここで私が試みているのは、実際に方程式を解くことなく、それらの方程式を見る方法を提供することです。
そうですね、視覚的な説明ですね。それらは宇宙が空っぽで、物体が小さな点でできているという考えよりも、宇宙が満ちていて、物体が波であるという考えの方に、はるかに近いのです。
宇宙について少し話をしましょう。宇宙飛行士がアイスクリーム、宇宙食のアイスクリームなどを互いに渡す映像を見ると、ただ押すだけでアイスクリームが宇宙ステーション内を浮かんで移動し、次の人がそれを掴みます。
野球を投げるような投げ方はしません。それは、アイスクリームが媒質を通過していない、水を通過していない、空気を通過していない、あるいは少なくとも抵抗がないことを示しているように思えます。私の理解では、そのものを押せば永遠に進み続けるのでしょうか?
あなたの質問にはたくさんの要素がありますね。単純に考えてみましょう。注意深くしないと、非常に複雑になる可能性があります。
地球から遠く離れたところで宇宙飛行士が浮かんでいて、遠くではありませんが、宇宙の基準からすれば、かなりの距離、数マイル離れたところに別の宇宙飛行士がいると想像してください。宇宙飛行士が何かを数マイル投げる必要がある場合、どれくらいの力で押す必要があるのでしょうか?
答えは、好きなだけ弱く押すことはできないということです。押す力の強さによって、物体が動き始める速度が決まります。しかし、一度手放すと、宇宙空間には摩擦がないので、動き続けます。
これは地球上での私たちの直感とは異なります。人類は何万年もの間、この問題について混乱していました。これは些細な問題ではありません。天才たちが理解するのに時間がかかりました。
でも、空の領域の宇宙空間にはたくさんのものがあると言いませんでしたか? それらは摩擦を引き起こさないのですか?
摩擦は引き起こしません。これが真実であり、それは明白ではないという発見は、ほかならぬガリレオによってなされました。本当の天才の話をしています。同時代に生きていたケプラーでさえ、これを知らなかった、理解できなかったのです。
これは人類の歴史における重要な発見でした。空の空間は抵抗を引き起こさず、したがって何かをその中に押し込むと永遠に続くということです。
これは、ガリレオの相対性原理やニュートンの運動の第一法則として、科学の授業でそこまで進んだ人には知られています。しかし、一般的な要点は、これは人間として理解するのが非常に難しいということです。なぜなら、地球上で起こるすべてのことがこの原理と矛盾するからです。
箱を床の上で押したい場合、一度押して惰性で進ませることはできません。すぐに減速して止まってしまいます。したがって、押し続ける必要があります。
しかし、凍った湖に行って、氷の上に少し水を垂らしてさらに滑りやすくし、箱を押すと想像すれば、その感覚がわかるかもしれません。その箱は、わずかな摩擦で減速するまで、湖の半分まで滑っていくでしょう。
宇宙空間で同じことをすると、重力が表面に引き寄せることもなく、表面もないため、ただ押すだけで、何かにぶつかるまで永遠に進み続けます。
地球上では、まず摩擦があり、次に重力があるため、投げたものは最終的に床に落ちて摩擦が生じ、十分な力で投げれば空気抵抗も生じるため、この直感は私たちにとって非常に異質なものです。
40億年の間、私たちの祖先はすべて摩擦と付き合ってきました。そのため、私たちの心は地球上での生活に対応するように設計されており、宇宙空間での生活に対応するようには設計されていません。
これらすべてのことは直感に反します。私たちが直感的に理解し、成長する過程で学ぶものではありません。したがって、人類が宇宙に行く前にこれを理解するには、途方もない想像力の飛躍が必要でした。それがガリレオに可能だったのです。
彼は有名な本の中で、波もなく、ただ海を滑るように進む船の中にいる場合について書いています。デッキの上にいれば風を感じ、海を見て、動いていることがわかります。しかし、中にいて外を見る方法がない場合、何も感じません。
滑らかに浮かぶ船の中で、静止しているのか動いているのか、あるいはどちらの方向に進んでいるのかを教えてくれる実験を行うことはできません。これは非常に重要です。なぜなら、これを知る前は、地球が回転することはあり得ず、太陽の周りを回ることもあり得ないと主張する非常に賢い人々がいたからです。
みんな動いているときには感じることができると知っていました。しかし、注意深く考えてみると、動いているときに感じるのは、道路の凸凹や線路の凸凹であって、実際の動きは感じていません。
これに気づくのは、私たちが毎秒30キロメートル、毎秒20マイルの速さで太陽の周りを回っているのに、それを全く感じていないということを思い出すときです。
それは驚くべきことですね。地球が急に止まったり一時停止したりしたら、私たちは惑星から飛び出してしまうという話を聞いたことがありますか? それは本当ですか?
もし地球が突然停止したら...そうですね、魔法のように地面の下にあるすべての物質、岩が停止したら、それは壁にぶつかった車の上に乗っているのと変わりません。前に飛んでいくでしょう。あるいは自転車が壁にぶつかったときのように。
その理由は、運動が幻想だからではありません。静止状態と定常運動の区別がつかないだけです。しかし、運動が定常でない場合は区別がつきます。私が動き続け、地球が停止したと言うのも同じように有効です。
すべては相対的ですか?
完全にそうではありません。その理由は、違いがあるからです。例を挙げてみましょう。私が定常運動をしていて、あなたが定常運動をしている場合、私たちのどちらが動いているのか、あるいは両方が動いているのかを言うことはできません。しかし、一方が動いていて停止した場合、それは運動の変化を意味します。
変化は測定できます。測定できないのは定常運動です。動いているかどうかはわかりませんが、停止したかどうかはわかります。
私を魔法のように一時停止させ、地球が回転し続ければ、壁が私にぶつかるということですね?
そうです。あなたの骨の中に大きな違いがあります。突然の停止は骨を折る、それは実際の物理的な効果です。すべての運動が不確かだという主張ではありません。定常運動は静止と同じだという主張です。これは非常に奇妙ですが、真実です。
なぜこれが真実なのかはわかりませんが、過去400年間、一度も改訂されていない物理学の最も古い原理のようです。
本の中でもう1つ、私の通常の仮定を再考させてくれた部分がありました。私はよくXYZ座標系で物事を想像します。靴箱があって、その中に点を置くことができるような、グラフや散布図を作るような方法です。
特に人工知能では、物事が互いに隣接している、基本的に位置しているという話をすることが多いです。空間と地球と太陽がすべて、XYZ座標系を持つ巨大な靴箱のようなものの中にあるという考えが常に頭の中にありました。
しかし今、あなたの本から学んだことの1つは、そうではないということです。すべてが互いに相対的であるなら、普遍的な真のXYZ座標は存在しないということですよね? つまり、宇宙全体が1つの連続した平面上にあって測定できるわけではなく、すべては1つの点から別の点へという関係性でなければならないということですか?
そうですね。あなたが取り組もうとしているのは、宇宙には自然な座標系があるのか、という問題だと思います。ここが中心で、前後、東西、上下の自然な方向があり、その中心をそこに置いて、すべてをそれに対して測定する...そして、ビッグバンが中心で、すべてがそこから広がっているのかもしれない、という考えですね。
しかし、そうは機能しません。人間にとってそのように考えるのは非常に自然ですが、事実はもっと微妙です。
まず、ビッグバンは中心からの爆発ではないという点があります。それは既に何らかの形で広がっているものの膨張です。宇宙の誕生について十分に理解していません。時間を逆にたどって、ある時点までは宇宙を理解できますが、最初の始まりについては視界が失われてしまいます。本当に何が起こったのかはわかりません。
しかし、今日起きている宇宙の膨張は、空虚への爆発として考えるべきではありません。その代わり、それは全体的なものです。文字通り、今日の宇宙には10億年前よりも多くの空間があります。それは空間への爆発ではなく、空間自体の膨張です。
これは考えるのに非常に奇妙ですが、空間が一種の物質のようなものだと考え始めると、少し奇妙さが和らぐかもしれません。しかし、それでも座標系は靴箱のようなもので、ただ大きくなって各空間の間に空間を追加しているのでしょうか? それも正しくないのですか?
あなたの質問はやや曖昧です。なぜなら、空間全体に座標を設定する方法は私たち次第だからです。中心がないなら、座標の原点をどこに置くべきか、明白な自然な方法はありません。
私たちは選択しなければなりません。座標の原点をどこに置くのか、それは私たちとの関係でどのような速度で動いているのか - その座標系に対して静止しているのか動いているのか、私にはわかりません - そしてそれをどのように向きづけるのか、それも私次第です。
そういった意味で、宇宙は非常に方向感覚を失わせるものです。自然なグリッドを持っていないからです。ここに都市があり、通りがあり、町の中心があって、グリッドを設定できるというのとは違います。私は好きなようにグリッドを設定できますが、宇宙にはそれが備わっていないのです。
でも、それらは一致するのでしょうか? アルファ・ケンタウリにいる人と、ここにいる私、あるいはもっとずっと遠くにいる人が出会ったとき、私たちは重力が空間を歪めているのを同じように見るのでしょうか? 私たちの地図は一致するのでしょうか? それとも物理的に不可能なのでしょうか?
一致するものもあれば、一致しないものもあります。実際、理論物理学者の仕事の1つは、何が一致するのかを明確にすることです。なぜなら、それらが物理的に意味のあるものだからです。例えば静止質量のような...
太陽とアルファ・ケンタウリの間の距離が4.5光年であるという事実は、実際に1つの場所から信号を送り、それが戻ってくるまでの時間を測定することで測れます。これは使用する座標系に依存しない物理的な事象の測定です。これは一致しなければならない例です。
しかし、座標や物事の記述方法に依存するものは選択の問題です。アインシュタインの物理学の驚きの1つは、人々が物理的なものだと思い、したがって誰もが同意するはずだと考えていたことがいくつかあったということです。例えば、この映画の長さは...
時間はそういったものの1つではありませんね?
そうです、違います。実際、重力について本当に注意深く考えると、各人がそれぞれ独自の時間の経験を持っています。普遍的な時間について語ることはまったくできません。
同様に距離も...例えば、アルファ・ケンタウリから太陽に光を送り、それを跳ね返して戻すという方法で距離を測定する場合、これは明確に定義された物理的な測定です。誰もそれに異議を唱えることはできません。
しかし、それにかかった時間や、カバーされた距離を尋ねると、それは人の視点によって変わる可能性があります。これがアインシュタインの宇宙における時間と空間の働き方だからです。
これはかなり難しく、実際、物理学の学生たちは物理的に意味のあるものと、単に選択した座標系に依存するものを識別する方法を学ぶのに多くの時間を費やします。
もう少し抽象的な、私にとってより楽しい考えに移りたいと思います。時々、私がシミュレーションの中にいるのではないかという考えで遊ぶことがあります。ソーシャルメディアでの話題として、私たちがマトリックスの中にいるような感じがしたり、宇宙がグリッチを起こしているように見えたりします。
特に人工知能で、私たちが非常にリアルに見えるシミュレーションを構築しているとき、これは進歩し続けて、そのキャラクターたちが私のように生きているように感じ、環境を探索し始めるところまで行くのだろうかと考えざるを得ません。
楽しい思考実験に入ってみましょう。私が本から学んだことに似た質問ですが...例えばマリオ64のような3Dゲーム、マリオとルイージがいるゲームで、彼らが十分に意識を持ち、自由に周りを見回して測定できるようになったとして、彼らは私たちの現実の背後にあるように見えるソースコードに似た何かを発見するでしょうか?
これは本当に興味深い考察です。なぜなら、おそらく計算一般ではないにしても、私たちが行う種類の計算と、宇宙が行っていることの類似点と相違点について、多くの異なる問題を提起するからです。
これは宇宙がシミュレーションではないと言っているわけではありません。そうかもしれません。しかし、その働き方は、マリオブラザーズが住んでいるようなシミュレーションとはかなり異なります。
現在私たちが作成しているようなビデオゲームの中にいて、十分に賢く、実験的な測定ができるとすれば、そのゲームのルールを学ぶことができない理由はありません。
マリオはどれほど賢いでしょうか。彼は配管工で、道具を持っています。このお城は何でできているのだろうかと疑問に思うでしょう。私たちは逆行分析が非常に得意です。
以前に遊んだことのないゲームの真ん中にいて、それをプレイするのを見ているだけでも、おそらくそれが世界の目的だとか、これがルールだとかを理解できるでしょう。アメリカンフットボールが一度も見たことのない人にとって、それがどのように機能しているのかを理解するのは簡単ではありませんが、何試合か見れば、おそらく理解できるでしょう。系統的に、本当に注意深く観察すれば可能です。
したがって、マリオが「これが私の体の働き方に関するルールで、これが壁に適用されるルールで、これが床に適用されるルールで、これらの状況では私はこれができ、これらの状況では私はあれができ、これらの生き物にはこれらの制限がある」といったことを理解できない理由はありません。
しかし、これらすべてが比較的高いレベルにあることを考えてみてください。ゲームにはこれらのオブジェクトがあり、それらは特定のルールに従います。しかし、私たちの世界の働き方を考えると、ここにあなたがいて、私がいて、壁があり、床があり、空気があり、光があります。すべてが同じルールに従っています。
マリオは壁を通り抜けられないが、このタイプのドアなら通れるといったルールではなく、これらのルールは「これらの波動粒子、これらの光子、電子があり、これらの力が引き合う」というレベル、あるいはさらに詳しく言えば「これらが宇宙の場であり、これらの場がこのように相互作用する」というレベルで書かれています。
人間として私に何が許されているのか、壁とどのように相互作用するのかという質問からはかけ離れています。プログラマーがマリオのゲームを設計するとき、マリオは壁と同じルールに従う必要はなく、壁のルールを変更してもマリオのルールはそのままで、これらは独立しています。なぜなら、ルールは巨視的なオブジェクトのレベルにあるからです。
私たちの世界のように、完全に微視的なものの上に構築された世界を作るのは、まったく異なることです。プログラマーは「壁とマリオのあるゲームが欲しい」と言いますが、宇宙は「場に関する非常に基本的なルールがある、何が起こるか見てみよう」と言います。
そして、あなたと私はNPC（ノンプレイヤーキャラクター）ですよね。私たちはNPCとして配置されたわけではありません。私たちは何十億年もの進化の過程で現れました。私たちが存在するという保証はありませんでした。したがって、最初のルールを書いた人は、私たちにルールを与えませんでした。私たちのルールは、基本的な微視的なものから私たちが構築される方法から推論されるのです。
しかし、NVIDIAのスーパーコンピュータのようなもので、40億年前から基本的にシミュレーションを開始し、それが進行しているとしたらどうでしょうか? マリオのように誰かが目標を作ったわけではなく、測定するものすべてがそのシミュレーションから導き出されるものだとしたら、それは私たちが宇宙で見ているものと似ているのでしょうか?
そうですね。シミュレートされた宇宙と、シミュレートされていない宇宙は、内側からは区別がつかないかもしれません。ある意味で、科学者は小規模でこれを常に行っています。私たちは実際に宇宙をシミュレートすることはできません。そこで起きていることが多すぎるからです。
しかし、天文学者は宇宙の歴史や銀河の形成などをシミュレートします。これを原子レベルから始めることはできません。それは難しすぎます。その代わりに、彼らは数学と推論を使って、重要な情報を失うことなく宇宙のルールを単純化し、初期のオブジェクトをある種のラフなパターンで、いくつかの変動を加えて配置し、シミュレーションで重力をオンにして、何が起こるかを見ます。
そのため、私たちが考える特性を持つ宇宙で何が起こるかを大まかに理解し、特性が多少異なる宇宙で何が起こるかを見ることができます。それを使って「ダークマターのない宇宙では構造が間違って出てくるだろう、だからダークマターが存在すると考えている」というようなことが言えます。これは宇宙のシミュレーションですが、私たちの宇宙が実行しているシミュレーションと比べると劇的に単純化されています。
十分な時間実行し、今日の私たちのコンピュータよりもさらに正確な計算能力があれば、そのシミュレーションの中に生命が現れると思いますか?
そうならない理由はありません。実際、私たちが考えているように、生命が長期間にわたる自然な微視的プロセスの産物であるなら、それをシミュレートすれば、シミュレーションの中に現れるはずです。
言い換えれば、宇宙全体ではないにしても、地球の表面で起こることすべてと太陽との相互作用、天候などをシミュレートできるほど強力なコンピュータがあれば...なぜ現れないでしょうか? それが主張することです。
そのシミュレートされた人間たちが、最も基本的な要素について学び始めたとき、波や粒子、あるいはこの基本的なシミュレーションに組み込まれているルールを見つけることができるでしょうか?
彼らが発見できないのは、シミュレーションを実行しているコンピュータのルールです。マリオはNVIDIAのカード、GPUにアクセスできません。それについての実験をする方法はありません。なぜならそれはシミュレーションの中ではなく、外にあるからです。
したがって、私たちの宇宙がシミュレーションだとしても、それが従うルールがある限り、その動作のすべてのルールを理解することはできます。シムズのようなビデオゲームの場合、彼らが周りを見回して宇宙を測定しても、おそらくピクセルは見つからないでしょう。なぜならそれは私たちが彼らを見る方法だからです。
しかし、彼らは何かを見つけるはずです。私が理解しようとしているのは、その何かが波のようなものに見えるのかということです。私たちにとっては数学があり、論理ゲートがあり、そしてシミュレーションがありますが、彼らはそこまで下りることはできません。しかし、彼らは離散的なものを見るのでしょうか、それとも波のようなものを見るのでしょうか? なぜなら、明らかに2次元のチップが彼らの3次元環境を作り出しているからです。
でも、待ってください。どのケースについて話しているのでしょうか? 私たちが今日持っている典型的なビデオゲームについて話しているのですか?
いいえ、シミュレーションについて...
はい、なぜなら...
はい、ストーリーの語りに人間が関与していないもの、シムのようなものです。
そうですね、宇宙の微視的なルールの本当のシミュレーションがあり、そこから生命が現れ、それらの微視的なルールの中で自己矛盾のない実験ができるなら、彼らが自分たちがどのように生まれたのかを逆行分析できない理由はありません。
私には興味深く思えるのは、多くのことが相対的になるだろうということです。3Dゲームのキャラクターを想像すると、最初は3Dの中にいると思うでしょう。彼らは何かの中で進化し、それを3Dだと思うでしょうが、「実際には、壁に対して前進したり後退したりすることは、私がいる場所に対して相対的なものだ」ということに気付き始めるかもしれません。
そして、それが私に「ああ、私たちの宇宙は何かシミュレーションのようなものなのかもしれない」と思わせるのです。
繰り返しになりますが、これはルールの問題に触れています。ルールがあり、それらのルールが最後まで守られるなら、原則としてゲームのキャラクターはそれらを発見することができます。
シミュレーションでは意味をなすものになるでしょうが、典型的なビデオゲームでは、壁が何か奇妙なことをするかもしれません。その奇妙なことが常に同じであれば、プレイヤーはそれを発見できます。
しかし、プレイヤーはなぜそうなのかを発見できないかもしれません。なぜならそれは、シミュレーションの外にいるプログラマーが「そのようにプログラムしたい」と決めたからです。一貫したルールのセットから始めて、すべてがそれに従うという完全なシミュレーションのような一貫したルールのセットではありません。
私たちの世界は後者のようです。微視的レベルで一貫したルールのセットがあり、これまでのところ、すべてがそれに従っているように見えます。これは仮説ですが、それが間違っているという証拠はなく、これまでのところ、この仮説を使って世界を記述する方程式を見つけることに非常に成功しています。
物質が時には粒子のように、時には波のように振る舞うとしても、離散的な概念は依然として存在するのでしょうか。また、プランク長やプランク時間についても聞いたことがあります。波の中に入り込んでいけるように感じますが、限界があるのでしょうか。
これには2つの要素があります。重要な点として、電子が本当の粒子ではないと言うとき、それは電子が不可分ではないという意味ではありません。1個の電子、2個の電子、3個、10個、17個を持つことはできますが、半分の電子を持つことは決してできません。全く混ざり合うことはありません。同じように光子も、好きな数だけ持つことができますが、それは常に整数です。17個か14個かのいずれかです。
本の中で、電子は互いに区別できないと書いてありましたね。それは別の追加的な問題です。すべてについて説明してください。
そうですね。区別できないということは本当に興味深く、全く自明ではありません。しかし、分割できないという事実が最初の重要な点です。なぜなら、それは各原子の中に正確に何個の電子があるかを言えるということを意味するからです。酸素に8個の電子があると言うとき、それは8個であって8.2個でも7.96個でもありません。
これは非常に重要です。なぜなら、すべての酸素原子が8個持っているということは、全く同じ化学的性質を持つということを意味するからです。そのため、呼吸するとき、どの酸素原子があなたの肺のどの部分に当たるかは関係ありません。どの酸素原子でも受け入れることができます。なぜならすべて同じだからです。
電子が単位として存在し、すべて同じで区別できないということは本当に重要です。なぜすべて同じなのでしょうか。それは、波であるということに加えて、電子場と呼ばれる場の波であるということに起因します。これは今すぐに説明できる以上に長い話になりますが、基本的には次のような説明になります。
海の波の1つと別の波を区別することはできません。ラベルは付いていません。一方、粒子の場合は、この粒子にマークを付け、あの粒子にマークを付けることで、2つの粒子を区別することができるかもしれません。しかし、電子はすべて同じです。すべて電子場の波であり、1つの電子と別の電子の間に違いはありません。そのため、同一であり、区別することができず、互換可能です。
これは多くの異なる意味で重要です。その1つは、すべての酸素原子が同じであるということです。プランク長について疑問に思っていましたが、それはどのように当てはまるのでしょうか。
これは粒子の離散性に関する説明です。波粒子や粒子、何と呼ぶにせよ、それらは離散的な単位で存在します。そのため「粒子」という言葉が使われているのです。
では、空虫空間自体について話を始めると、空間は単位で存在するのか、そしてそれらの単位はボクセルのようなものなのか、それははるかに不明確です。私たちにはわかりません。これは未解決の問題です。実験的な証拠はなく、理論的な証拠は実際には意味のあるボクセルが存在することに反対する方向に傾いているかもしれません。
しかし、空間にはボクセルではないけれどもボクセル的な側面があると言うことは依然として意味があるかもしれません。今言えることは、これは物理学者が遊んでいる多くの推測の1つだということです。
私たちが知っているのは、ある長さで特別なことが起こるということです。もし、これは大きな仮定ですが、宇宙について私たちがまだ発見していない本当に重要なことがないと仮定するなら、重力について今までに知っていること、粒子物理学について知っていること、量子力学について知っていることから、ブラックホールを取り、それをより小さくすることができ、さらに小さくすることができますが、作ることのできる最小のブラックホールはプランク長として知られるサイズを持ち、その質量はプランク質量になるということがわかります。
これらの長さとは何でしょうか。問題の長さは信じられないほど小さく、10のマイナス35メートルです。つまり、0.1の後に35個のゼロがあるということです。それが作ることのできる最小のブラックホールのサイズです。ブラックホールは大きいと考えられていますが、小さくすることができます。本当に小さくすることができます。
最小のブラックホールのスケールで何か特別なことが起こると考えられています。なぜなら、それよりも小さいものを作ると、電子のような波のように振る舞いますが、それよりも大きいものを作ると、ブラックホールのように振る舞うからです。したがって、異なる種類の振る舞いの間の境界点のようなものです。
マリオとルイージが見つけるようなピクセルや、現実を作り出す基本的な論理ゲートに似ているように感じますか？それとも、全く異なるトピックのように感じますか？
同じトピックである可能性があります。量子コンピューティングの話と関連する類推を示しましょう。ナイーブに考えると、量子ビットで物を作るとき、各量子ビットがここにあり、別の量子ビットがそこにあり、さらに別の量子ビットがあそこにあると考えます。
しかし、グーグルやその他の研究者によって発見された1つのことは、量子ビットを物理的に局在させるのではなく、論理的にするのが良いということです。個々の量子ビットは少し広がっており、そのためエラーに対してより敏感ではなくなります。
依然として量子ビットについて話していますが、それら自体は文字通り小さな点ではなく、少し広がっています。そして、量子重力について考える正しい方法が、空間のボクセルという観点からであるかもしれませんが、それらは文字通りのボクセルではなく、何らかの形で少し広がっているけれども、何らかの形でプランク長の典型的なスケールを追跡し続けているという意味があるかもしれません。
空間と時間には何らかの構造があると思いますが、その構造は単にボクセルが一緒に連なっているような素朴なものではありません。それにもかかわらず、必要なボクセルの数や、それらがどのように振る舞うかを理解しようとするとき、このようなボクセルの素朴な概念は、あまり遠くまで行き過ぎないように注意する必要がありますが、何らかの直感を与えてくれるかもしれません。
プランク長でこれらのボクセルのような宇宙を測定できたとしたら、大きくなるにつれて滑らかになるような誤差やグリッチがあるような兆候はありますか？量子的な、何と呼ぶのでしょうか、スムージングアルゴリズムのようなものがあるのでしょうか？
これは難しい質問です。量子物理学を非常に興味深いものにしている1つのことは、決定論的なもの、つまり決定されたものと、確率論的なもの、つまり統計的なものの奇妙な混合だからです。これら2つの間の線がどこにあるのかを正確に言うことは、量子物理学の数学が量子物理学について実際に何を語っているのかを解釈する正しい方法について人々が意見を異にすることがあるため、時には非常に難しいのです。
エラー訂正がそれを1つから他方に移行させていると思いますか？
おそらくそうではありません。しかし、一方で、開発された量子エラー訂正コードは、私の分野のジョン・プレスキルによって開発されました。これらのことが切り離されているわけではないと言えるでしょう。プレスキルは長年にわたって粒子物理学と量子重力について考えてきました。彼がこの分野で働き始めたのは偶然ではありません。
私はおそらく十分な専門家ではありません。量子コンピューティングとエラー訂正コード、ブラックホール、そしてそれらがどのように機能するかの関係について、本当に一生懸命考えている人々がいます。私は、正しく答えられるほどの専門家ではないことを知っているだけの専門家です。
しかし、あなたをその話について話すのが大好きな人々に紹介することはできます。言えることは、ここには関係があるということですが、明確で直接的な関係がなければならないという明確な説明はまだないということです。
明らかに思えることは、空間を連続的な全体に構築するようなボクセル間の関係が、量子物理学に見られるような種類のエントロピーと関係があるようだということです。時空は、量子システム間の相互作用からそのように考えると出現してくるように思えます。これは非常に奇妙な概念で、私が明確な言葉で説明できるほどまだ十分に理解されていません。そうできる時が来るかもしれません。
グリッチの考えについてはどうでしょうか？宇宙の中で何か辻褄が合わないものがあるように感じますか？確かに未解決の謎はありますが、それらの中で直感的にあなたにとって現実のグリッチのように感じるものはありますか？何かが単に意味をなさない場所にジャンプしているように見えるものとか、それともすべてが非対称性や波などで説明できるように見えますか？
話せる2種類のグリッチがあります。区別しましょう。一度だけ、あるいは完全にランダムに数回起こるグリッチがある可能性があります。コンピュータープログラマーはそれをコンピューターゲームに入れることができます。それは問題ありません。
しかし、科学にはそれについて問題があります。科学の結果は真理と同一視されるべきではないことを理解することが重要だと思います。なぜなら、科学は仮定から始めるからです。科学のプロセスは、自然の法則があると仮定し、測定を行い、多様な工学を行って、それらの自然の法則が何であるかを理解することです。
もしルールに従わないものがあれば、それらを発見することはできません。なぜなら、それらがどのように機能したかを確認することができないからです。これは、一方で創造科学が科学ではない理由の1つです。なぜなら、最初から科学の基本的な仮定に違反しているからです。
しかし、他方で、それは創造論が間違っているということを意味するわけではありません。それが正しいと示唆しているわけではありませんが、論理的に言えば、科学は真理と同じではありません。なぜなら、科学を始める前に仮定を立てているからです。
科学の基本的な仮定に違反するグリッチは、科学的に発見することが非常に難しく、それが本物かどうかについて議論することになるでしょう。実験では常にグリッチが起こりますが、それは典型的には宇宙線がコンピューターチップに影響を与えたり、電気回路に何らかの変動があったりするためです。それらは心配する種類のものではありません。本当のグリッチがあれば、それは測定の問題として片付けられるでしょう。
しかし、奇妙だが予測可能なグリッチがある場合、つまり予測するのは難しいかもしれませんが予測可能なものであれば、おそらく十分な数を見ることができ、それらが予測可能であることを示す方法を見つけ出すことができます。それは科学の一部です。研究の中でそのようなものに出会ったことはありますか？
いいえ、本当にありません。では宇宙はあなたにとって驚くほど理にかなっているように見えますか？
はい、いいえ。私が与えようとしていた答えを説明させてください。私たちは宇宙が毎日同じルールに従うという仮定で始めるわけではありません。予測可能なルールに従うと仮定するだけです。つまり、日々のルールは粗雑かもしれませんが、予測可能な何らかの包括的なルールがあるということです。
しかし、実際にはそのようなものは見つかりません。例えば、ジュネーブのスイスにある大型ハドロン衝突型加速器は、冬期は電力が高すぎる以外は毎日運転されています。毎日運転され、ある種の衝突を生成しており、それらの衝突では多くの異なる種類のことが起こります。もしある日それらの衝突の結果が大きく異なっていれば、私たちはそれを見ることができるはずです。しかし、そうはなりません。
数年にわたる実験でこれまでに見つかったことは、グリッチがないということです。では、グリッチがないことをどのように他に見ることができるでしょうか？
例えば、陽子の質量が3秒間だけ20%増加し、その後元に戻るというグリッチがあったとしましょう。その影響は何でしょうか？私たちはそれに気付くでしょうか？はい、私たちは皆死んでいるでしょう。
グリッチは生命、惑星、恒星にとって非常に危険です。自然の法則をいじくり回すと、物事は永久に破壊されます。何十億年もの進化の後に私たちが存在するという事実は、グリッチが非常にまれで小さいという事後的な証拠です。
これらの最小の粒子を衝突型加速器でぶつけ合わせ、その内部を見るとき、常に同じものが飛び出してきて測定されるのでしょうか？それとも、ある程度ランダムで平均化されるのでしょうか？例えば、アップクォークやダウンクォークを時々得て、それらを平均化して中に何があるのかを知るのでしょうか？それとも、毎回非常に同じようなものが出てくるのでしょうか？
これは量子物理学における決定論と乱雑性の素晴らしい混合です。まず、これらの実験で陽子をぶつけ合わせる理由について、重要なことを強調させてください。私たちは陽子の内部に何があるかには興味がありません。
アインシュタインの相対性理論と量子物理学の働き方のために、私たちが本当に興味を持っているのは、1つの陽子の中の1つの粒子が他の陽子の中の粒子に衝突し、最初から陽子の中になかった新しい粒子に変換されるプロセスを起こすことです。
わかりました。しかし、これは明らかなことではありません。これが粒子衝突を行う理由の核心です。でも、私はそれを知っているべきでした。なぜなら、粒子は開くことができず、先ほど波であると話したからです。陽子は実際にもっと複雑で、内部に物を持っています。
過去に人々は実際に陽子の中に何があるかを調べるために、電子を陽子にぶつけていました。そこには興味深い問題があり、私たちはそれに答えました。陽子の中にはクォークとグルーオンがあります。
しかし、大型ハドロン衝突型加速器で陽子をぶつけ合わせることに興味を持っているのは、内部のためではなく、新しいものを作り出すためです。2つの岩をぶつけ合わせてクジラを作れるようなものです。
私たちは陽子の中には見つからないトップクォークを作ります。陽子をぶつけ合わせてヒッグス粒子を作り、W粒子を作ります。それらの粒子はどこにも見つかりません。なぜなら、一度作られると信じられないほど短い時間で崩壊してしまうからです。
したがって、それらが存在することを知る唯一の方法は、ゼロから作り出すことです。これがそれを行う方法です。これらのものをぶつけ合わせ、非常に小さな空間に多くのエネルギーを持ち、そのエネルギーは標準模型の相互作用する場を通じて、他の何か、つまりトップクォークやWボソンの波紋に変換されることができます。
1つのタイプの波紋を送り込み、それらは相互作用し、別のものの波紋を作り出します。これが粒子物理学の秘密です。では、あなたの質問に答えましょう。毎回同じものを得るのでしょうか？答えは「いいえ」です。
私たちは毎回同じことをしています。それは決定論的な部分です。しかし、毎回同じものを得るわけではありません。それが量子物理学の統計的な部分です。それは角度が異なるためなのでしょうか？もっと正確にできれば同じになるのでしょうか？答えは「いいえ」です。量子物理学のために、常に何らかのランダム性があるでしょう。
数学で計算するとき、量子物理学は起こりうるすべての異なることと、起こりえないことを教えてくれます。そして、このことが起こる確率、あのことが起こる確率、そのことが起こる確率を与えてくれます。
私たちがこれらの実験を何度も何度も行う理由は、確率が正しいかどうかを確認したいからです。トップクォークに興味があるだけでなく、トップクォークをどれくらいの頻度で作るのか、陽子-陽子衝突のどれくらいの割合でトップクォークを作るのかにも興味があります。標準模型からそれについての予測があり、それが正しいかどうかを確認したいのです。そしてそれは正しいのです。
あなたの直感では、宇宙にはある程度のエントロピーやランダム性があるのでしょうか？それとも、パイロット波理論のように、私たちの宇宙の理解を超えた何か確固としたものがあると考えていますか？
パイロット波の具体的な話は置いておいて、誰も理解していない深い問題に触れています。それは、量子物理学の中にあるランダム性をどのように理解するかということです。アインシュタインは、それに安住しなかったことで当時は嘲笑されましたが、不快に思う多くのことがあります。
問題は、このランダム性は、もし知っていれば正確に予測可能な何か私たちが知らないものの兆候なのか、それとも自然に本質的に統計的な何かがあるのか、ということです。
確実に言えることは、もし決定論的で統計的ではない方法があるとすれば、それは非常に微妙なものになるということです。なぜなら、それを構築しようとする最も明白な方法は失敗し、実験と矛盾するからです。
これはジョン・ベルによって指摘されたことの1つです。彼は、情報がどこかに保存されていて、単にアクセスしていないだけかどうかを確認する単純な方法があり得るかどうかを確認する実験を提案しました。そして、それは量子物理学で起こることと矛盾することを示すことができます。
しかし、世界がどのように機能するかについて、私たちがまだ知らないことがあり、これについての見方を変える可能性は確かにあります。量子物理学がなぜそのように機能するのか、そして人間の頭脳でどのように理解できるのかという謎は、依然として残っています。
一方の方向を示す証拠が十分にあるわけではなく、他方よりも可能性が高いと感じられるということはないのでしょうか？それとも、質問自体を再考する必要があるのでしょうか？
質問は完全に開かれています。一方向や他方向への証拠があるとは言えません。質問をどのように尋ねるべきかさえ明確ではありません。理論物理学者は、実際に確認できる実験的な結果を持つ提案を持って来る必要があります。
これまでに聞いた実験的な結果を持つ理論的な提案のほとんどは、私にとってはあまり良く響きません。それは良い提案がないということではありませんが、良い提案はまだ見つかっていないと思います。
これは科学でよくある状況です。科学では、私たちが理解したことがあり、そして大きな未解決の問題があります。そして時には、答えを見つける日まで、一方向や他方向への証拠がないことがあります。
この質問の答えを何世紀も知らないかもしれません。誰かが洞察を得るかもしれませんし、私たちの考え方を変えるような何かを10年以内に発見するかもしれません。それを知る方法はありません。
波について話しましょう。この本では非常に重要な部分です。そしてあなたが宇宙を説明する方法でも重要です。多くの音楽的な比喩があり、それらは意図したわけではありませんが、私には響いています。なぜなら、ギターの弦が平らで、それを掴んで弾くと波形になり、非常に高くなり、そしてある種のベル曲線のような形を作り出すことを想像できるからです。
それはまた、特に量子の観点から考えると、電子や粒子のようにも感じられます。この波と共鳴のアイデアについて、現代物理学は古い玉突き球のような惑星や粒子のアイデアよりも、音楽のジャンルと共通点があるのでしょうか？
確かに、原子力委員会や1930年代、40年代に原子力が登場したときに使用されたすべての画像から描かれる原子の絵は、外側を回る電子という球体の集合と、中央に陽子と中性子でできた原子核があるという画像です。
しかし、私が言ったように、その玉突き球や粒子の絵は、世界が実際に機能するように見える方法ではないことが判明しました。音楽との関係について言えることは、人間が慣れているような種類の音楽やハーモニーとの関係ではなく、楽器との関係です。
例えば、ギターを取り上げると、6本の弦があるということは、1本の弦を弾くと特定の音が出るということを意味します。したがって、6弦ギターは6つの特定の周波数、6つの特定の音を好んで演奏します。ギターを調整することでそれらを変えることはできますが、ある時点では6つの音があります。
ピアノは88個あります。異なる楽器は異なる数を持ち、異なる方法で共鳴し、振動することを好む異なる音を持っています。これは宇宙についても同じことが言えます。宇宙を叩くと、特定の好ましい周波数があります。
それらの周波数は非常に重要であることが判明しています。なぜなら、それらは基本粒子の質量と関係があるからです。その関係はアインシュタインの相対性理論と量子物理学を通じて来ます。
それは短い話ではありません。実際、本の主要なポイントの1つは、それを非技術的な方法で説明することです。しかし、あなたも私も聞きたくない音楽を宇宙が奏でるとしても、宇宙は楽器のように振る舞うという非常に現実的な意味があります。
これは何らかの推測的な類推ではありません。楽器の数学的方程式とその振動の仕方を書き下ろし、粒子物理学者が使用する数学的方程式と比較すると、多くの類似点があるということを言っているのです。
世界が異なるように調整されていたらどうなるでしょうか？原子は同じサイズではないのか、異なるエネルギーを持つのでしょうか？
はい。例えば、電子に対応する周波数を変えた場合、より正確に言えば、それが意味することは、静止した電子を目の前に置くと振動し、特定の周波数で振動するということですが、その特別な周波数はその質量と関係があります。
なぜなら、量子物理学のおかげで、振動する周波数はそれがどれだけのエネルギーを持っているかと関係があるからです。振動しているためにエネルギーを持っています。E=mc²なので、持っているエネルギーの量はその質量と関係があります。
したがって、電子の振動する周波数とその質量の間には直接的な関係があります。周波数を変えると、電子の質量を変えることになります。電子の質量を変える、つまりそれを大きくすると、周期表全体が変わり、原子は小さくなり、化学のすべてが変わります。はい、多くのことが変わるでしょう。
このように、粒子物理学の詳細は原子の働き方、化学の働き方、そして生化学の働き方、つまり私たちの働き方に直接的な影響を与えます。したがって、私たちは非常に間接的な連鎖を通じて、宇宙の周波数に非常に敏感なのです。それは完全に抽象的なものではなく、私たちにとって重要なのです。
すごいですね。では、ちょっと考えてみましょう。宇宙で最も重い重力質量、つまりブラックホールを取り、空の領域に置いて、指をリズミカルにパチンと鳴らし、現れては消え、現れては消えるようにしたら、重力波がそこから波打って、光速で周囲のすべてに伝播するでしょうか？また、重力と結びついているため、時間も波打つのでしょうか？人々は「わあ、今たくさんの時間が来た、少し来た、たくさん来た」というように感じるのでしょうか？
はい、これは私たちが測定したことのないものですし、おそらくいつか測定できるかもしれませんが、そうですね。ブラックホールが存在したり存在しなくなったりするという例を取るのではなく、それは実際には起こり得ないので。
では、ギターを弾くように宇宙の重力を弾くことができるものは何かと考えてみましょう。これは実際に私たちが観察していることです。2つのブラックホールが互いに接近するとき、もし互いの軌道上にあれば、時間とともに接近し、より速く、より速く、より速く回転し、最終的に合体します。この急速な回転とそれに続く合体は、確かに重力波を作り出します。
私たちは2015年からそれらを測定しています。これは長い間仮説として考えられてきましたが、今では地球上の数カ所にある重力観測所で数日ごとに行われている測定です。
したがって、はい、確かにこれらは時空の波紋です。測定が容易な距離への影響があり、測定は容易ではありませんが測定可能です。時間への影響もあります。アインシュタインの理論の方程式があり、私たちの測定とすべてが非常によく一致しているので、これらのことが起こることを確信しています。
しかし、何かの長さの変化を測定するよりも、時間の変化を測定する方が難しいのです。したがって、実際に行われている測定は本当に空間の波打ちの測定ですが、時間の波打ちも存在します。
このような時間への影響が起こることを私たちが知っている理由の1つは、他の測定が可能だからです。最も明白なのは全地球測位システムの衛星で、非常に正確なタイミングで動作します。運動による時間への影響と重力による影響があり、この場合はその大きさはほぼ同じで、両方を含める必要があります。
したがって、あなたが車で一つの場所から別の場所に運転するたびに、重力と時間の曲率のいくつかの小さな影響によって導かれているのです。これは本当にあり、これは今や技術の一部になっています。
定義について話しましょう。あなたの本を読むと、「ウェービクル」のような言葉を使わざるを得なくなりますが、粒子や理論や波についての日常的な意味が時代遅れになっているか、現代物理学のために更新する必要があるように思えます。これについて話し合えますか？なぜこれらの用語について通常の辞書の定義が使えないのでしょうか？
更新が必要というわけではなく、通常の英語でもこの問題に常に直面しています。例えば、野球をプレイする場合、「ボール」「ストライク」「アウト」という言葉は、通常の英語での意味とは異なります。もし知らなければ、野球の実況を聞いているときにとても混乱するでしょう。
これらは本当に通常の言葉に対する専門用語の定義です。考えてみると、人生のほぼすべての分野がそうです。最近あなたのポッドキャストをいくつか聞いていましたが、時々「この言葉で何を意味しているのだろう」と考えなければならない言葉をたくさん使っていました。これは人間の専門用語の働き方であり、それで問題ありません。
「熱力学」のような聞き慣れない言葉の場合、あなたの反応は「それが何を意味するか教えてください」となりますが、「力」という言葉の場合、あなたはそれが何を意味するか知っていると思います。なぜならそれは英語の言葉だからです。それが何か似たようなことを意味しているが、実際にはニュートンによって非常に正確に定義され、その後現代物理学で新しい意味を持つようになったということは、専門家の知識なしには知ることができません。
だからこそ、私が書いた本のようなものでは、これらの定義について非常に明確にすることが非常に重要だと私は考えています。専門家の場合、それに本当に注意を払わないのは簡単です。野球の本を書くとき、ストライクが何を意味するかを定義しますか？それとも読者がすでに知っていると仮定しますか？
物理学者はしばしば、人々が質量が何を意味するか、粒子が何を意味するか、波が何を意味するかを知っていると仮定してしまいがちです。しかし、よく見ると、まず英語には異なる定義があり、どれを使うべきかわからず、第二に物理学では定義がしばしば歪められたり、調整されたり、拡張されたりしています。誰も用語を定義していない物理学の本をどうやって理解できるでしょうか？これは極めて重要なことです。
ウェービクルはその上にさらに別の層がありますが、波という言葉でさえ、英語には2つの異なる意味があります。浜辺で見る波、サーフィンをする波は、水の中に1つの山がある波です。波が浜辺に打ち寄せるとき、それは波です。それは波と呼ばれます。しかし、録音技術者と話をしたり、音波について話をしたりするとき、水や空気の中の1つの振動を意味しているのではなく、一連の振動のパターンを意味しています。
正確にそうです。音波の周波数について話すとき、本当に意味しているのは、これらの山がどれくらいの頻度で私の耳を通過し、耳の膜を振動させているかということです。電子が本当に波であると言うとき、私は本当にこのより一般的なもの、浜辺の波のような形だけでなく、多くの異なる形を持つことができるものについて話しています。
あなたの本は『不可能な海の波』と呼ばれ、粒子は本当は波だと人々に話し始めるなら、これを本当によく説明する必要があります。ある意味で、電子や光子やクォークやその他の変な名前の粒子が本当は波であるということについて本当に重要なことの1つは、波は粒子よりもはるかに柔軟だということです。
粒子は点です。粒子、つまり砂粒をテーブルの上に置いたとき、それは何もしません。それを瓶に入れて瓶を小さくしても何も起こりません。しかし、波をどこかに置くと、まず多くの異なる形を持つことができます。容器いっぱいに広がることができ、容器を圧縮すると形を変え、上下に振動したり、はねかえったりすることができます。多くのことができます。
電子がそんなに多くのことができるという事実は、自然の中で本当に重要です。それらを粒子と呼ぶことで、私たちは「粒子」という言葉を再定義しています。それは問題ありません。私たちは常に言葉を再定義していますが、それは少し残念です。正確な方向に向かって再定義したいからです。
「粒子」という言葉を使うと、その言葉が意味すると思われるすべての荷物が付いてきますが、その荷物の多くは実際の電子には当てはまりません。それが私にとって「粒子」という言葉が特に悪い例である理由の一部です。そしてなぜ私が「ウェービクル」という古い言葉を好むのか、それは何らかの理由で採用されなかったのですが。
しかし、どんな言葉を使おうと、「粒子」という言葉が、電子には粒子的な性質もあるけれども、そうでない性質も多くあるという意味で使われていることを理解することが重要です。これは物理学で使う多くの言葉について当てはまります。
私たちが使う言葉は、英語で持っている意味の一部を持たず、英語では持っていない意味を持っていることがあります。さらに悪いことに、物理学の中でいくつかの異なる意味を持つことがあり、それは本当に混乱を招きます。
あなたの本の読み方で最も興味深いことの1つは、初期の章では、波とは何か、山とは何か、そして宇宙の観点から考えているものについて、言葉を再定義し、深く考える必要があるということを経て、後半の章では、これらのクールな部分がすべて適切な場所に収まっていくということです。
私はよく自分の理解を超えるオーディオブックを聴き、楽しんだと思いながらも、本当にあまり理解できないことが多いのですが、それは私が考えるべきいくつかの粒子についての考え方をとても上手に設定してくれたからかもしれません。その努力は本当に価値があったと思います。
嬉しいです。それは間違いなく意図的でした。本の後半で行う説明、つまり本当の核心は、適切な基礎がなければ意味をなさないからです。そうでなければ、よく起こることは、その主題に興味を持っている人々が1冊の本を読み、次に新聞の記事を読むと、人々が同じ言葉を異なる意味で使っており、完全に混乱してしまうということです。
有名な例は、アインシュタインが「物が速く動けば動くほど、質量が増える」と言ったということです。これは学校で教えられることもあり、科学ジャーナリズムの記事で繰り返し見つかります。間違いではありませんが、同時に中性子は陽子よりも質量が大きいと言うと非常に混乱します。
なぜなら、陽子がどれくらい速く動いているかによって質量は変化するはずだからです。もし質量が速度とともに変化するなら。この混乱の解決策は、物理学者やジャーナリストが質量という言葉の2つの異なる意味を使っているということです。
学校では、ニュートンの時代には1つの定義しかなく、すべて同じだったのでそれについて学びません。アインシュタインが発見したことの1つは、ニュートンにとってはすべて同じ答えを与えたはずの質量を測定する異なる方法が、実際には同じ答えを与えないということでした。
したがって、実際には異なる種類の質量を定義する必要があります。つまり、物体が異なる方法で乱されたときの振る舞いを測定しており、異なる答えを得ているのです。私の本の多くが質量について書かれているので、どの定義が使われているかを非常に明確にすることが本当に重要です。
この本の効果の1つとして、より多くの科学ジャーナリストがより注意深くなることを期待しています。あなたは、ヒッグス粒子がパーティーを歩き回る人気者のように質量を与え、周りの人々を引き付けると言った人々を批判しましたね。いいえ、あなたは「これは完全に間違っている、そして誰もがそれを信じている」と言いました。そうですね、物理学者はそれを信じていません。これは、専門家が非専門家にどのように伝えるかということについてです。この本を書く目的の1つは、物理学の本には物理学の事実に根本的に矛盾する記述があってはならないという基準を設定することでした。
つまり、基本的な方程式に反することを言ってはいけません。本の目的は方程式の中にあることを説明することであり、もしそれを行わず、一種の妥協をして本当に深いことを妥協してしまうと、それらの深いことを説明しようとしたときに意味をなさなくなってしまいます。
私たちの目的は何でしょうか？単に皆を混乱させようとしているのでしょうか。ホリデイ・イン・エクスプレスのコマーシャルのように、人々をより賢く見せようとしているだけなのでしょうか？それとも、実際に世界がどのように機能するかを理解する機会を与えようとしているのでしょうか？後者を行うのであれば、正しく行わなければならず、合理的に聞こえるけれども実際には間違っていることを言うようなゲームをしてはいけません。
本を買いに行くとき、「賢く感じるけれど賢くはならない」本棚と、「愚かに感じるけれど賢くなる」本棚が必要です。それはあなたを愚かに感じさせないことを願います。少なくとも、私たち人間が他の人々と同じくらい愚かに感じるだけです。なぜなら、何かを知っていると思うたびに、学ぶべきことがもっとあることに気付くからです。
物理学者にとってもそれは確かに当てはまります。本の中で強調したかったもう1つのことは、これらの物理学の本の中には、私たちがすべてを理解したという印象を与えるものがあるということです。それは真実からかけ離れています。
私たちはいくつかのことを本当によく理解していますが、まだ完全に混乱している膨大な量のことが残っています。私が言及したような、定常運動は検出できず、静止と同じであるという点について、これが真実であることは理解していますが、なぜ宇宙がそのように構築されているのかは根本的に理解していません。
それは無知の領域です。もし相対性原理がなぜ真でなければならないのかを説明できれば、あなたは何かを学ぶことになるでしょう。
もし私たちが学校に行って、すべてが粒子である原子モデルから始め、化学と生物学を経て科学を進めていき、今になって不安定な基礎を持っていたことに気付き、粒子を量子場の波や励起の中の何かとして考えるべきだと気付いたとしたら、その上にあるものも考え直す必要があるのでしょうか？それともすべてがそのまま収まるのでしょうか？
それは本当に良い質問です。ある意味で、答えはそれによります。学校で教えられたことには矛盾があり、私たちはそれに気付きませんでした。そしてそれらの矛盾は、これらの奇妙なことによってある程度解決されます。
次のように考えてみましょう。確かに、ミクロレベルの複雑さはマクロレベルでは重要でなくなることがよくあります。普通の人生でさえ、ほとんどの場合、私たちがすべてのこれらの分子からできているという事実に注意を払う必要はありません。
DNAはショッピングセンターで買い物をするのに本質的な知識ではありません。しかし、一方で、ある時点でDNAを理解することは非常に重要になります。それは確実に私たちがどのように繁殖し、日々どのように生存するかに影響を与えます。
したがって、知る必要のないこともありますが、それらのミクロな詳細が重要になる特定の場所もあります。例えば、光がこれらのウェービクルや粒子や光子でできているという事実は、実際に目の仕組みにとって非常に重要です。
目には分子があり、それらの分子は一度に1個の光子を吸収します。それらは物体があなたの目球に当たっているわけではありません。それらは目球に当たる粒子ではなく、吸収される波です。
起こることは、光の波が入ってきて、ロドプシンという化学物質が振動し始め、それを吸収します。それは波を吸収し、一度に1個の光子を吸収することが重要です。なぜなら、それはロドプシンを壊すことなくその形を変えるのに必要なエネルギーの量だからです。
したがって、光が光子でできているというこれらの事実はすべて、実際に私たちが見る装置において重要です。では、何を再考する必要があるでしょうか？
化学の授業でロドプシンは小さな球のように一緒に連なった原子の集まりだと教えられたとしたら、それはそれほど間違いではありません。しかし、光について何を教えられたでしょうか？光は波だと教えられたでしょうか？光は時々波のように来ると教えられたでしょうか？はい、時々そうです。化学の授業によります。
これは、マクロスコピックな影響を持つ何かにとってこれらの詳細が実際に重要になる場所です。基本的な化学の多くの詳細は、実際に分子の構造、特定の分子反応の速度に依存しています。それらはこれらの量子現象に依存しており、物事のウェービクル的な性質が重要になる可能性があります。
したがって、より大きなスケールに向かって、より日常生活に向かって上がっていくにつれて、底に奇妙な物体があり、それらが本当に波であるという事実に明らかに重要な形で依存する物事は少なくなっていきます。
しかし、すべての原子がそれに依存し、私たちは原子からできているという事実があるため、ある意味では重要です。あなたの一日の多くの部分でこれを知る必要はありませんが、これに依存していない一日の部分はありません。
あなたはしばしば「私たちは宇宙の波である」という引用を使っています。自分自身と、固体に感じるものを、宇宙に結びついた波のようなものとして考え始めなければなりません。しかし、それは「宇宙のすべてはエネルギーである」とか「私たちはすべて1つとしてつながっている」という人々が言うことのように聞こえます。哲学的な考えは何かありますか？
私はそれが非常に意味深いと思いますが、再び注意深く言いますが、私たちが宇宙の波であるとは言いません。私たちは宇宙の波でできているのです。これは驚くべきことであり、真実であるように見えます。
ここで言っていることは単なる推測ではありません。私たちが作られている基本的な物体が波であり、それらは場と呼ばれるこれらのものの波であることを実験で見ています。短時間では説明が難しいですが、これらの場は何らかの形で宇宙に組み込まれています。
私たちが文字通り宇宙の波であるかどうかはわかりませんが、確かに宇宙の一部である何かの波です。私の体全体が10の28乗個の原子、信じられないほどの数の原子でできており、それぞれの原子の中に多くのウェービクルが含まれており、それらのウェービクルは宇宙の一部である何かの波紋であるという事実は、私が宇宙の中の何か別のものであるように見えますが、それは単に真実ではありません。
私は文字通り宇宙の振動の具現化なのです。私たちが住む世界から非常に疎外されていると感じることの多い社会で、いいえ、私たちは実際に住む世界の一部であるということを理解することは意味があると思います。私たちはそれぞれがその中に自分自身の意味を見出すでしょう。
これは特に、ほんの数百年前には私たちが宇宙の中心であり、宇宙が存在する理由は私たちのためだと考えていた時代に重要です。今日、私たちが知っていることを考えると、私たちは特に興味深くない恒星の、特に珍しくない銀河の中にいて、その中心にはいません。どこか遠い場所にいて、宇宙の歴史の中で特に重要な時期にいるわけでもありません。
『エブリシング・エブリウェア・オール・アット・ワンス』のような映画について考えると、それは本当に素晴らしかったと思いますが、その映画が本当に扱っているのは、もはや私たちが何かを意味するものではないという喪失感です。
人生はもはや意味がありません。なぜなら、それはすべて私たちのためだったからです。それは他の理由で意味があるはずです。そして、あなたが宇宙から出現したということを理解すれば、単にそこに投げ込まれたのではないということを理解すれば、この世界の意味を理解し、人生の意味を見出すことはずっと簡単になると思います。
私はそれが価値があると思います。そしてそれは確かに本の中で伝えたかったことの1つです。
素晴らしい締めくくりですね。ありがとうございました、マット。あなたの本は『不可能な海の波』という題名で、私は2回読みました。おそらく1年後くらいにもう一度読み直すと思います。なぜなら、本当に私の考え方を、文字通り比喩的に変えてくれたからです。
量子場と歪んだ空間を通る野生の旅でした。特に場について多くを学び、今後数十年で解決できる可能性のある仮説的な可能性についても学びました。この会話を本当に楽しんだ人で、もっと学びたい人は、ウェブサイトを閲覧したり、profmatstrassler.comでブログを読むことができます。
マット、時間を割いていただき、ありがとうございました。素晴らしい会話でした。本当に楽しかったです。近いうちにまた話ができることを願っています。すべてがうまくいきますように。また近いうちに話しましょう。
ありがとうございます。
はい、さようなら。