隠れていた宇宙（上）：ブライアン・グリーン

「隠れていた宇宙（上）：ブライアン・グリーン」

内容
量子力学、超ひも理論、ランドスケープ宇宙、ホログラフィック理論……物理学の先端をそれぞれに切り拓いた、あるいはいま切り拓きつつある理論を各々突き詰めていくと、不思議なことに、必ずと言っていいほど「私たちのいる宇宙から見えないところに別の（多くの）宇宙がある」という結論が導かれる。現代はある意味で、「多宇宙の世紀」なのだ。これらの見えない宇宙を実験で確かめるすべは、今はまだない。しかし、これだけあちこちの科学者から報告される多宇宙＝多世界＝並行世界を、私たちはどう考えるべきか？　科学的な観測事実の裏付けのないものはやはり、物理研究の対象と見なすべきではないのか？　いやむしろ、これだけ数学の確固たる裏付けをともなったものはリアルな、実在のものと考えるべきではないのか……『エレガントな宇宙』『宇宙を織りなすもの』で、普通の言葉で先端理論をわかりやすく解説すると定評のある、グリーン待望の本格的科学解説。2011年刊行。

著者について
ブライアン・グリーン
物理学者・超弦理論研究者。コロンビア大学物理・数学教授。研究の第一線で活躍する一方、超弦理論をはじめとする最先端の物理学を、ごく普通の言葉で語ることのできる数少ない物理学者の一人である。
超弦理論を解説した前著『エレガントな宇宙』は、各国で翻訳され、全世界で累計100万部を超えるベストセラーとなった。

翻訳者について
大田直子
翻訳家。東京大学文学部社会心理学科卒。訳書にサックス『音楽嗜好症』、リドレー『繁栄』（共訳）、オレル『明日をどこまで計算できるか？』（共訳、以上早川書房刊）、サトゥリス『徒歩で行く150億年の旅』、メレディス『インドと中国』、ロオジエ『関係の法則』ほか多数。

監修者について
竹内薫
1960年東京生。科学作家。1983年東京大学教養学部教養学科、1985年同理学部物理学科卒。マギル大学（カナダ）哲学科・物理学科修士課程を経て、1992年博士課程修了。Ph.D（高エネルギー物理学専攻）。一般読者にもわかりやすく手に取りやすい先端科学の解説本には定評があり、近年ではテレビやラジオでも科学解説者として活躍中。著書に『シュレ猫がいく！　ブレーンワールドへの大冒険』『「超ひも理論」とはなにか』『ゼロから学ぶ超ひも理論』『物質をめぐる冒険』『世界が変わる現代物理学』『99.9％は仮説』ほか多数。訳書にテイラー『奇跡の脳』、ホーガン『科学の終焉』、マクスウェル『電気論の初歩』ほか多数。


理数系書籍のレビュー記事は本書で242冊目。

現代物理学の「SF化」が著しい。果たしてこれは科学なのだろうか？

私たちの住む宇宙の大きさが無限かどうかもわかっていないのに、そして始まりの瞬間や終わりがどうなるかもわかっていないのに「多宇宙（マルチバース）」の研究が進んでいる。

科学雑誌ニュートンで泡のような宇宙がいくつも描かれ、そのひとつが私たちの宇宙だという図版を目にした方もいることだろう。またNHKの「神の数式」の最後の１０秒ほどで「宇宙は無数に存在するという説もでてきた。」と紹介されていた。

泡宇宙




本書はその最後の部分であっさりと語られた「多宇宙論」を詳細に解説した本である。ブライアン・グリーン博士にとっては３冊めの科学教養書だ。

上巻に登場する多宇宙は次の５種類。概念図とともに紹介しよう。下の３つは超弦理論から予想されているものだ。


パッチワークキルト多宇宙

わたしたちの宇宙と同じ物理定数や物理法則を持つ宇宙が四方八方に無限個埋め尽くされている多宇宙。ひとつひとつの宇宙はハッブル体積（宇宙膨張の後退速度が光速未満となる宇宙の体積）をもつ。




インフレーション多宇宙

インフレーション宇宙論を前提にした多宇宙論。宇宙のインフレーションが巨大ネットワークになり泡宇宙が無限に連鎖する。物理定数や物理法則はインフレーションの条件によって違ってくるのでそれぞれの泡宇宙で異なる。インフレーション宇宙論が成立するためには、そもそもインフラトン場が存在していなければならないが、この場の存在は仮説の段階だ。




ブレーン多宇宙

超弦理論のブレーンワールドのシナリオが予想する多宇宙。Ｄブレーンが異なる次元に無数存在するという多宇宙論。私たちの宇宙は１つの巨大な３次元のＤブレーン（Ｄ-３ブレーン）だとする。２つのＤブレーン、つまり２つの宇宙が衝突するとき莫大なエネルギーが発生し、これをビッグバンと考えることにより新たな宇宙が誕生する。




サイクリック多宇宙

超弦理論で導かれる２つのＤブレーン、つまり２つの宇宙が衝突するとき莫大なエネルギーが発生し、これをビッグバンと考えることにより新たな宇宙が誕生する。これが繰り返されることにより時間的に並行するいくつもの宇宙を生み出す。宇宙創成の１サイクルはおよそ１兆年だという。




ランドスケープ多宇宙

超弦理論とインフレーション宇宙論を総合して組み立てた多宇宙論。余剰次元の様々な形は様々な泡宇宙を生み出し、それら宇宙の物理定数や物理法則は異なる。




このような多宇宙論を拒否したり疑念を抱いている科学者も多い。また真面目に研究している科学者がいるのも確かだ。インフレーション宇宙論については着実に信頼度を上げているが、理論に必要なインフラトン場が実験で検証されていない。また超弦理論はＭ理論に発展し将来有望な万物の理論として提唱されたが、肝心の余剰次元の形の研究が進んでいない。これらの多宇宙論は主にこれら２つの理論を土台にしているため、仮説の上に仮説を重ねた形で構築されているのだ。

とはいえ、実際に本書を読んでみるとわかるのだが説明はとてもわかりやすく、理論の積み重ねも筋がとおっている。説得されるとまではいかないまでも、話の筋道としてはそういう多宇宙もあり得ると思わざるを得なくなるのだ。

宇宙がたくさんあるかもしれないということはNHKの「神の数式」の最後でほんの少しだけ紹介されていた。しかしあまりにも短い紹介だったのでどのような理論を指しているのかわからなかった。超弦理論がテーマだから、おそらく「ブレーン多宇宙」か「サイクリック多宇宙」、「ランドスケープ多宇宙」のことだろう。

番組の内容から判断すると、これはカラビ-ヤウ空間という６次元の余剰次元の取りうる形が１０の５００乗という膨大な数になるから、それが記述しうる物理法則の数もそれと同じくらい膨大になるということだ。９月の放送では「１０の５００乗という数の宇宙がでてきてしまうという新たな問題もでてきた。」という多宇宙説に否定的な表現がとられ、１２月の「完全版」では「１０の５００乗個の宇宙が今でも生まれたり消えたりしている。」という多宇宙説に肯定的な表現がとられていた。

しかし１０の５００乗種類という可能性はカラビ-ヤウ空間の取りうる数学上の数であって、現実の物理的実在（宇宙）の数ではない。だからこの文脈では９月の放送での表現のほうが正しいと僕は思うのだ。それでも本書には異なる物理法則が成り立つ１０の５００乗種類の宇宙が存在するかもしれないと信じている科学者かいることも紹介されている。

本書には「～の可能性がある。」とか「～であることは否定できない。」とか「～かもしれないのだ。」のような表現がとても多い。仮説の正しさに対して「可能性」という言葉を口にするとき２つの相反する受け取り方がある。「可能性はゼロではないが、ほとんど無いに等しい。」という否定的な受け取り方と「可能性があるので、きっと確信できるようになるだろう。」という肯定的な受け取り方だ。本書で取り上げられる多宇宙はそれぞれ「存在する可能性がある」ものなので、解説を読んだ上でどちらの立場をとるかはひとりひとりの判断に委ねられている。


以下、僕が気になった箇所、今回学んだ事柄、注意点を述べておこう。


Ｄブレーンの存在は受け入れられるか

ブレーン多宇宙の説明が成り立つためにはＤブレーンという存在を認めなければならない。Ｄ-３ブレーンだけなくＤ-４ブレーンやその他の次元のブレーンも含めてだ。そして開いた弦の端はこれらのブレーンに「接続していなければならない」ことも含めてだ。文章による解説だけではにわかに信じられないというのが僕の実感だった。あなたはこのようなものを物理的な実在として受け入れることができるだろうか？

さらに本書ではブレーンの周りには「ブレーン場」た存在しているという。これは電子でいえば電場のようなものだそうだ。そして電場を電気力線で表現するようにブレーン場に対しては「流束」というものがあるという。ブレーン場の強さは流束の本数によってあらわされ、その数は整数値をとるそうだ。

しかし先月はじめに読んだ「初級講座弦理論 発展編：B.ツヴィーバッハ」の第１６章「弦のチャージと電荷」や第２０章「Born‐Infeld理論とD‐ブレーンの電磁場」で僕はＤブレーンの周りのKalb-Ramon場（つまりブレーン場）や弦に流れるチャージ（荷量）がＤ-ブレーンに電荷や電場を生み出すことを定量的に学んでいた。このことを思い出すとＤ-ブレーンの実在性がだいぶ納得できるようになった。


１０の５００乗という数はどこからくるか

カラビ-ヤウ空間の取りうる可能性がこの数だという説明をしたが、実はもう少し事情は複雑だ。本書によるとカラビ-ヤウ空間の一部はブレーンによって包まれ、上述の流束（ブレーン束）によって数珠つなぎになっているという。カラビ-ヤウ空間が「ドレスアップ」するわけだ。あるカラビ-ヤウ空間に開いている領域が１つある場合、それを流束でドレスアップする方法が１０通りあって、余剰次元の形が新たに１０個生まれる。開いている領域が２個あれば１０ｘ１０＝１００通りのドレスアップの形が生まれる。超弦理論によればおよそ５００の開いている領域をもつカラビ-ヤウ空間もあるので、ドレスアップされた余剰次元の形は１０の５００乗種類になる。この膨大な数に対して異なる物理法則が生まれるというのだ。


コペルニクス原理と人間原理

地球は宇宙の中心ではなく、太陽の周りを回っている惑星のひとつにすぎない。このように私たちの宇宙が唯一無二の存在ではなく、同じような宇宙は他にもあると考えるのが「コペルニクス原理」の考え方だ。これに対し、この宇宙の宇宙定数や物理パラメータが現在の値になっているのはその条件が偶然すべて揃ったから銀河だけでなく太陽系も地球も、そして生物や人間も存在できたのだというのが「人間原理」である。

科学的な探究心に従う限り、なぜ宇宙定数や物理パラメータがそのような値になっているかということを解明したくなるものだ。しかし、そこに本質的な理由はない。なぜならその条件がたまたま私たちの銀河や生命体を進化させたからだ。自然界の定数を納得できるように説明するには、その定数としてさまざまな値をもっている種々の宇宙がなくてはならない。この多宇宙の状況ではじめて人間原理の論法によって神秘が当たり前のことに成りうるのだ。


Ｍ理論で見つかった１０番目の空間次元はなぜ見落とされていたか

超弦理論での空間は９次元であることが計算で求められるのだが、その後５つの超弦理論はＭ理論という１つの枠組みにまとめられた。しかしＭ理論が要請する空間は１０次元だという。そして１０番目の次元は見落とされていたという説明があった。計算で９次元と求められたはずなのになぜ見落とされたのだろう？僕はこのことが気になっていたが、本書にその答が書かれていた。

なぜかというと、これまで知られていなかった１０番目の空間次元の大きさは、弦の結合定数の大きさで決まるからだ。研究者たちは摂動論を使うために結合定数を小さくすることで、知らないうちにこの空間次元も小さくして理論の数学にとっても見えなくなってしまっていたのだ。


別の宇宙の存在を確認する手段はあるのか

確認としては間接的なものになってしまうが手段はあるのだそうだ。それは次のような測定による。

- 短い距離での重力の逆２乗測の破れを検出して巻き上げられた余剰次元の存在を間接的に確認し、さらに余剰次元に漏れる重力の量を測定する。

- 重力波を検出し精密に測定する。（ＬＩＧＯなどの巨大な施設およびＬＨＣなどでの超ミクロなブラックホールの検出）

また、宇宙の加速的膨張やマイクロ波の背景放射の精密な測定、インフラトン場の検出、超対称性粒子の検出、超弦理論の余剰次元の形の決定など、インフレーション理論や多宇宙論の土台となる観測や研究の発展も必要だ。


「エレガントな宇宙」や「宇宙を織りなすもの」と重複している内容

「ブレーンワールド宇宙論」と「サイクリック宇宙論」は「宇宙を織りなすもの」でも解説されていたが、本書の説明のほうが圧倒的に詳しい。

また超弦理論については「エレガントな宇宙」や「宇宙を織りなすもの」と重複している。しかし、多宇宙を解説する文脈の中で必要になることなので、重複していてもそれほど気にならない。

一般相対性理論や量子力学は、本書ではほとんど解説されていないので「エレガントな宇宙」や「宇宙を織りなすもの」との重複は気にしなくてよい。ただし「量子のゆらぎ」の説明は３冊を通して重複している。



下巻ではこのような多宇宙の研究が果たして科学なのかという議論がなされるのと、他のタイプの多宇宙も紹介されているそうだ。


単行本と文庫版、そして文庫版についてはKindle版も出ているのでぜひ読んでみてほしい。

単行本：

「隠れていた宇宙（上）：ブライアン・グリーン」
「隠れていた宇宙（下）：ブライアン・グリーン」

　

文庫版：

「隠れていた宇宙（上）文庫版：ブライアン・グリーン」（Kindle版）
「隠れていた宇宙（下）文庫版：ブライアン・グリーン」（Kindle版）

　


翻訳のもとになった英語版20011年に出版された。Kindle版もでている。

「The Hidden Reality: Brian Greene」（Kindle版）




関連記事：

隠れていた宇宙（下）：ブライアン・グリーン
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/6e8b34dc9e4a3d21e82de47960f2a07d

エレガントな宇宙：ブライアン・グリーン
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/404c24b68f57609900bc3d7a030333d5

宇宙を織りなすもの（上）：ブライアン・グリーン
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/9a33e8f5ee79057972cf86c7b20c5218

宇宙を織りなすもの（下）：ブライアン・グリーン
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/e7d60b8a36b423ef5d42df59458804b7


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「隠れていた宇宙（上）：ブライアン・グリーン」



はじめに

第１章：現実（リアリティ）の境界--並行宇宙について
- 単一の宇宙と複数の宇宙
- 並行宇宙のさまざまなバリエーション
- 宇宙の秩序

第２章：終わりのないドッペルゲンガー--パッチワークキルト多宇宙
- ビッグバンの父
- 一般相対性理論
- 宇宙とティーポット
- 納税申告書の重力
- 原初の原子
- モデルとデータ
- 私たちの宇宙
- 無限の宇宙のなかの実在（リアリティ）
- 無限の空間とパッチワークキルト
- 有限の可能性
- 宇宙の繰り返し
- 単なる物理現象
- これをどう考えるか

第３章：永遠と無限--インフレーション多宇宙
- 熱い始まりの名残
- 原初の光子の不可解な一様性
- 光速より早く
- 広がる地平線
- 量子の場
- 量子場とインフレーション
- 永遠のインフレーション
- スイスチーズと宇宙
- 視点を変える
- [インフレーション多宇宙]を経験する
- くるみの殻のなかの宇宙
- 泡宇宙のなかの空間

第４章：自然法則の統一--ひも理論への道
- 統一の沿革
- 再説--量子場
- ひも理論
- ひも、点、量子重力
- 空間の次元
- 大いなる期待
- ひも理論と粒子の性質
- ひも理論と実験
- ひも理論、特異点、ブラックホール
- ひも理論と数学
- ひも理論の現状

第５章：近所をうろつく宇宙--ブレーン多宇宙とサイクリック多宇宙
- 近似法を超えて
- 双対性
- ブレーン
- ブレーンと並行多宇宙
- 粘着性のブレーンと重力の触手
- 時間、サイクル、そして多宇宙
- サイクリック宇宙の過去と未来
- 流束のなかで

第６章：古い定数についての新しい考え--ランドスケープ多宇宙
- 宇宙定数の再来
- 宇宙の運命
- 距離と明るさ
- そもそも、それは何の距離なのか
- 宇宙の色
- 宇宙の加速
- 宇宙定数
- ゼロの説明
- 宇宙論における人間
- 生命、銀河、自然に潜む数字
- 悪から善へ
- 最後のステップを手短に
- ひも理論のランドスケープ
- ランドスケープにおける量子トンネル現象
- あとの物理現象は？
- これは科学か？

原注