特集:究極の未解決問題 時空とは何か/暗黒物質とは何か

G. マッサー(SCIENTIFIC AMERICAN編集部)
201809

日経サイエンス 2018年9月号

6ページ
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 空間は当然のものと考えられてきた。空間とはつまりは空っぽであり,その他すべての背景だ。時間も同様に,単に絶え間なく経過していく。だが物理学者が数々の理論の統合を目指すその長い苦闘から学んだものがあるとすれば,それは空間と時間が驚異的に複雑な1つの系を形成していて,その理解を試みるいかなる努力も寄せつけないかもしれないということだ。

 アインシュタイン(Albert Einstein)は1916年11月に,早くもそれに気づいていた。一般相対性理論をまとめる1年前だ。一般相対論は重力を,空間を伝わる力ではなく,時空そのものが持つ性質であると考える。空高く投げ上げたボールが弧を描いて地面に戻ってくるのは,地球が周囲の時空をゆがめているためで,それによってボールの軌跡が地面と再び交わるからだ。アインシュタインは友人に宛てた手紙のなかで,一般相対論と,彼の別の考案である草創期の量子力学理論を融合することの困難を嘆いた。両者を統合しようとすると空間が単にゆがむだけではすまず,解体してしまう。数学的にどこから手をつければよいのか,まるで見当がつかなかった。「自分自身の考案にこんな形でこうも苦しめられるとは!」と書いている。

 この問題について,アインシュタインはたいした前進なしに終わった。量子重力理論に関しては現在も数多くのアイデアが競合している。このテーマを研究する科学者の人数とほぼ同数の理論があるといえる。そうした論議に目を奪われると,ある重要な事実を見落とす。それら競合するアプローチのすべてが,空間はもっと根本的な何かから生じると述べていることだ。


暗黒物質とは何か
L. ランドール(ハーバード大学)

 宇宙物理学者と天文学者はこの宇宙の物質の大半が「暗黒物質(ダークマター)」だと結論づけている。私たちが通常の物質を見るときのような電磁気的な影響を通じてではなく,重力の効果からその存在が推論されている物質だ。暗黒物質は物理学のなかで最も単純明快な概念のひとつだが,私たち人間の視点のせいで不可解となる。人間の五感はすべて,電磁相互作用がもとになっている。例えば視覚は光に対する感受性に基づいている。光はある周波数帯に属する電磁波だ。ありふれた物質が目に見えるのは,それを構成している原子が光を放出または吸収するからだ。それら原子のなかの電子や陽子が電荷を帯びていることが,視覚を可能にしている。

 だが,物質が原子からできている必要はない。宇宙の物質の大半は何かまったく別のものでできている可能性がある。