シアトルで行われた万物の理論に関する講演で、スティーブン・ホーキング博士の「クレイジーな賢さ」を少しだけご紹介します。

今週、著名な英国の物理学者スティーブン・ホーキング博士が亡くなったことで、彼がその人生の多くを宇宙の理解を深めるために捧げたことについて、世界中、そしておそらく夢想的に宇宙全体にも反省が巻き起こった。

2012 年 6 月 16 日、シアトル科学フェスティバルでホーキング博士がパラマウント シアターで「Brane New World」と題する講演を行ったときのことを振り返ってみる価値はある。

上のパシフィックサイエンスセンターのビデオで見ることができ、下に書き起こされているその講演で、ホーキングは、M理論として知られる宇宙の究極の理論かもしれないと考えるものについての自身の見解を述べた。

GeekWireのアラン・ボイル氏はNBCNews.comでこのイベントを取材し、ホーキング博士の「並外れた頭脳と鋭い機知」がその夜に明らかになったと書いている。

書き起こしは次のとおりです。

ブラン・ニュー・ワールド

この講演では、宇宙、そして現実そのものに対する私たちの見方を一変させる可能性のある、刺激的な展開についてお話ししたいと思います。その概念とは、私たちがより広大な空間におけるブレーン、つまり表面の上に住んでいるかもしれないというものです。「ブレーン」という言葉（braneと綴ります）は、私の同僚であるポール・タウンゼントが、膜がより多くの次元に分散していることを示すために導入したものです。

「『脳』という言葉のダジャレは、かなり意図的なものだったのではないかと思う。

「私たちは、部屋の中の物体の位置を3つの数字で表す、曖昧な3次元空間に住んでいると思っています。北の壁から5フィート、東の壁から3フィート、床から2フィートといった具合です。

「あるいは、より大きなスケールでは、緯度、経度、海抜高度といったものもあるでしょう。さらに大きなスケールでは、銀河系内の星の位置を、銀河の緯度と経度、そして銀河系の中心からの距離という3つの数値で特定することができます。」

「位置を表す3つの数字に加えて、時間を表す4つ目の数字を加えることができます。つまり、私たちは4次元時空に生きていると言えるのです。そこでは、出来事は4つの数字で表されます。3つは出来事の位置、4つ目は時間です。」

時空は平坦ではなく、そこに含まれる物質とエネルギーによって曲がって歪んでいることに気づいたのは、アインシュタインの天才的なひらめきでした。この一般相対性理論によれば、惑星のような物体は時空を直線的に移動しようとしますが、時空が曲がっているため、その軌道は重力場によって曲げられているかのように見えます。まるで星を表す重りをゴムシートの上に置いたようなものです。重りはシートを押し下げ、星の近くでシートを曲げます。

「今、シートの上で小さなボールベアリングを転がして惑星を表現すると、惑星は恒星の周りを回ることができます。

「船舶、飛行機、そして一部の車に搭載されているGPSナビゲーションシステムによって、時空が曲がっていることが確認されました。このシステムは複数の衛星からの信号を比較することで機能します。もし時空が平坦であると仮定すると、誤った位置を計算してしまうでしょう。」

「私たちが目にしているのは、空間の3次元と時間の1次元だけです。では、なぜ観測可能な余剰次元を信じるべきなのでしょうか？それらは単なるSFなのでしょうか、それとも実際に観測可能な結果を​​もたらすのでしょうか？」

余剰次元という概念を真剣に受け止めている理由は、アインシュタインの一般相対性理論が私たちの観測結果と全て一致する一方で、理論自体の破綻を予言しているからです。ロジャー・ペンローズと私は、一般相対性理論が時間には始まりとビッグバンがあり、ブラックホールで終わりを迎えることを予言していることを示しました。これらの場所では一般相対性理論は破綻し、宇宙の始まりやブラックホールに落ちた人に何が起こるかを予測することはできません。

一般相対性理論がビッグバンとブラックホールで破綻する理由は、物質の小規模な挙動を考慮していないからです。通常の状況では、比較的長い長さのスケールでは時空の歪みはごくわずかです。しかし、時間の始まりと終わりには、時空は一点に押しつぶされます。

これを理解するには、一般相対性理論、つまり非常に大きなものの理論と、量子力学、つまり非常に小さなものの理論を組み合わせる必要があります。これにより、宇宙の始まりから終わりまでを記述するTEO（万物の理論）が構築されます。

私たちは過去30年間、万物の理論を探求してきましたが、今やM理論と呼ばれる候補が見つかったと考えています。実際、M理論は単一の理論ではなく、物理的に同等に見える理論のネットワークです。この理論によって、宇宙に関する複数の異なる記述が可能になり、それらはすべて同じ観測結果を予測し、それぞれが独自の有用性を持っています。

驚くべきことに、M理論ネットワークの多くの理論では、時空は私たちが経験する4次元以上を持っています。これらの余剰次元は実在するのでしょうか？ 正直に言うと、私は余剰次元の存在を信じることに抵抗を感じていましたが、M理論ネットワークは非常に美しく調和し、予想外の対応点があまりにも多く見られるため、これを無視するのは、神が岩の中に化石を置き、ダーウィンを騙して進化論を信じさせたと主張するようなものだと感じています。

「では、時空は私たちには4次元に見えるのに、M理論では10次元や11次元なのはなぜでしょうか？ なぜ6次元や7次元が観測されないのでしょうか？ この疑問に対する従来の答えは、最近まで一般的に受け入れられていましたが、余剰次元は人間の髪の毛のようなものだというものでした。遠くから見ると、1次元の線のように見えます。しかし、拡大鏡で見ると、その太さ、そして髪の毛が実際には3次元であることがわかります。

しかし、最近、より過激な示唆が出てきました。それは、余剰次元のうち1つか2つがはるかに大きく、あるいは無限大である可能性があるというものです。これらの大きな余剰次元は粒子加速器では観測されていないため、すべての物質粒子は時空内のブレーンまたは表面に閉じ込められており、大きな余剰次元を自由に伝播することはできないと仮定する必要があります。

「光もブレーン内に閉じ込められなければならない。そうでなければ、我々はすでに大きな余剰次元を検出しているはずだ。同じことは粒子間の核力にも当てはまる。一方、重力は、あらゆる形態のエネルギーや質量の間に働く普遍的な力であり、ブレーン内に閉じ込められることはなく、空間全体に浸透する。」

「重力はブレーンに沿ってだけでなく、広大な余剰次元にも広がっているため、ブレーン内に閉じ込められた電気力よりも距離とともに急激に減少するはずです。しかし、惑星の軌道の観測から、太陽の重力は太陽から遠ざかるほど弱まることが分かっています。これは電気力が距離とともに減少するのと同じです。」

「ですから、もし私たちがブレーン上に住んでいるとしたら、重力がブレーンから遠くまで広がらず、その周囲の近傍にとどまっているのには何らかの理由があるはずです。一つの可能​​性は、巨大な余剰次元が、私たちが住んでいるブレーンからそれほど遠くない、第二の影のブレーンで終わっているということです。」

「光はブレーンに沿ってしか移動できず、ブレーン間の空間を通過することはできないため、シャドウブレーンを見ることはできません。しかし、シャドウブレーン内の物質の重力は感じることができるでしょう。シャドウ銀河、シャドウスター、そしてシャドウピープルさえも存在するかもしれません。彼らは、私たちのブレーン上の物質から感じる重力について疑問に思うかもしれません。」

余剰次元が第二ブレーンで終わるのではなく、無限大でありながら鞍のように大きく曲がっているという可能性も考えられます。リサ・ランドールとラマン・サンドラムは、この種の曲率はむしろ第二ブレーンのように振る舞うことを示しました。物体がブレーンに及ぼす重力の影響は、ブレーンの小さな近傍領域に限定され、余剰次元の無限大に広がることはありません。

しかし、このランドール・サンドラムモデルとシャドウブレーンモデルの間には重要な違いがあります。重力の影響下で運動する物体は重力波、つまり時空を光速で伝播する曲率のさざ波を発生させます。光の電磁波と同様に、重力波はエネルギーを運ぶはずであり、この予測は連星パルサーの観測によって確認されています。

「もし私たちが本当に余剰次元を持つ時空内のブレーン上に住んでいるとしたら、物体とブレーンの運動によって生成された重力波は他の次元へと伝わっていくでしょう。もし第二のシャドウブレーンがあれば、重力波は反射され、二つのブレーンの間に閉じ込められるでしょう。」

「一方、もしブレーンが1つしかなく、ランドール・サンドラムモデルのように余剰次元が永遠に続くとしたら、重力波は完全に逃げ出し、ブレーンの世界からエネルギーを運び去ってしまう可能性があります。

ブレーンから逃げ出すのは短い重力波だけであり、大量の短い重力波の発生源はブラックホールだけである可能性が高い。ブレーン上のブラックホールは、余剰次元のブラックホールを貫通して広がる。ブラックホールが小さければ、ほぼ円形になる。つまり、ブレーン上の大きさとほぼ同じ程度、余剰次元にまで到達することになる。

「一方、ブレーン上の大きなブラックホールは、ブレーンの近傍に限定された黒い『パンケーキ』まで広がり、ブレーン上の幅よりも余剰次元での厚さの方がはるかに薄くなります。

「以前、ブラックホールは完全な黒ではないことを発見しました。ブラックホールは、まるで高温の物体であるかのように、あらゆる種類の粒子や放射線を放出します。物質と電気力はブレーンに閉じ込められているため、光などの粒子や放射線はブレーンに沿って放出されます。しかし、ブラックホールは重力波も放出します。重力波はブレーンに閉じ込められるのではなく、余剰次元にも伝播します。もしブラックホールが大きくパンケーキのような形状であれば、重力波はブレーンの近くにとどまるでしょう。」

「これは、ブラックホールが4次元時空におけるブラックホールに予想される速度でエネルギーと質量を失うことを意味します。したがって、ブラックホールはゆっくりと蒸発し、その大きさが縮小し、最終的に放射された重力波が余剰次元へと自由に逃げ出せるほど小さくなります。」

ブレーン上の人物にとって、ブラックホールは暗黒放射を発しているように見えるでしょう。暗黒放射とは、ブレーン上で直接観測できない放射ですが、ブラックホールが質量を失っているという事実からその存在を推測することができます。つまり、蒸発するブラックホールから放出される最後の放射は、実際よりも弱いように見えるということです。

「これが、死にゆくブラックホールに起因するガンマ線バーストが観測されていない理由かもしれません。しかし、もう一つの説明としては、これまでの宇宙の年齢では、蒸発するほど質量の小さいブラックホールがあまり存在しないということも考えられます。もし低質量ブラックホールが発見されたら、私はノーベル賞を受賞するでしょうから、それは残念なことです。」

「では、ブレーン世界はどのようにして誕生したのでしょうか？ 私見では、ブレーン世界の起源に関する魅力的な説明は、真空の揺らぎとして自発的に生成されたというものです。ブレーンの生成は、蒸気や沸騰水の泡の形成に少し似ていると言えるでしょう。」

液体の水は、何十億個ものH ₂ O分子から構成されており、最も近い分子同士が結合して密集しています。水が加熱されると、分子は速度を増し、互いに跳ね返ります。時折、これらの衝突によって分子の速度が非常に高くなり、一部の分子が結合から解放され、水に囲まれた小さな蒸気の泡を形成します。

「ほとんどの小さな蒸気の泡は再び液体に戻ります。しかし、いくつかの泡はある臨界サイズまで成長し、それを超えるとほぼ確実に成長し続けます。水が沸騰するときに観察されるのは、こうした大きく膨張する泡なのです。」

ブレーン世界の振る舞いも同様です。真空の揺らぎによって、ブレーン世界は何もなかったところから泡のように出現します。ブレーンは泡の表面を形成し、内部は高次元空間となります。

「非常に小さな泡は再び崩壊して消滅する傾向がありますが、量子ゆらぎによってある臨界サイズを超えて成長した泡は、成長し続ける可能性が高いでしょう。泡の表面、つまりブレーン上に住む私たちのような人間は、宇宙は膨張していると考えるでしょう。」

「それはまるで風船の表面に銀河を描いて膨らませるようなものです。ブレーンが膨張するにつれて、内部の高次元空間の体積が増加します。最終的には、私たちが住むブレーンに囲まれた巨大な泡が形成されるでしょう。」

「泡の表面であるブレーン上の物質は、泡内部の重力場を決定します。同様に、内部の重力場はブレーン上の物質を決定します。」

「ホログラムのようなものです。ホログラムとは、三次元の物体の画像を二次元面にエンコードしたものです。『スタートレック』のエピソードで、ニュートンやアインシュタインと一緒にホログラムを体験したことがあるので、ホログラムについてはよく知っていました。」

同様に、私たちが四次元時空だと考えているものは、五次元の泡の内部で起こっていることのホログラムに過ぎないのかもしれません。私たちは三次元の空間と一次元の時間の世界に住んでいることを当然のことと考えていますが、もしかしたら私たちは、私たちが存在している洞窟の壁に揺らめく炎が投げかける影に過ぎないのかもしれません。私たちが遭遇するどんな怪物も、影であることを祈りましょう。

ブレーン世界モデルは研究のホットなテーマです。非常に推測的なものではありますが、観測によって検証可能な新しい種類の振る舞いを示唆しています。重力がなぜそれほど弱く見えるのかを説明できるかもしれません。重力は基礎理論では非常に強いかもしれませんが、重力の広がりと余剰次元の存在により、私たちが住むブレーン上の遠距離では重力は弱くなると考えられます。

「もし余剰次元の重力が強ければ、高エネルギー粒子の衝突で小さなブラックホールが形成されやすくなるでしょう。ジュネーブにある大型ハドロン衝突型加速器（LHC）なら実現できるかもしれません。新聞の恐怖記事で信じられているように、小さなブラックホールが地球を飲み込むことはありません。むしろ、ブラックホールはホーキング放射の煙とともに消え去り、私はノーベル賞を受賞するでしょう。」

「LHCでは、私たちは真に新しい世界を発見できるかもしれません。」

編集者注： スティーブン・ホーキング博士がこの講演を行ってから1ヶ月も経たないうちに、LHCを用いた科学者たちはヒッグス粒子の発見を報告しました。しかし、ホーキング博士が期待したような余剰次元や微小ブラックホールの証拠はまだ見つかっていません。探求は続いています。

また、ブラックホールの死と決定的に関連しているガンマ線バーストの観測はまだありません。しかし、ここ数年、重力波観測所はブラックホールと中性子星の衝突の兆候を捉えてきました。2016年に最初の検出が発表された際、ホーキング博士は「1970年に私がブラックホールについて行った予測と一致している」と喜びを語りました。

GeekWire の航空宇宙および科学編集者である Alan Boyle 氏がこのレポートに貢献しました。