すごい物理学講義

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  本書は、イタリアの物理学者カルロ・ロヴェッリの著作で、最近少し話題になった『時間は存在しない』の前作に当たる。ロヴェッリは、量子力学と相対性理論を統一する量子重力理論の(自称?)有力候補となるループ量…子重力理論を専門にする研究者で、本書は物理学の歴史のわかりやすく魅力的な解説書であるとともに最終的にはループ量子重力理論を知らしめることを目的とした本となっている。
  『時間は存在しない』の方から先に読んだので、時間の順序が違うのかもしれない(原題は”L'ordine del tempo” イタリア語で「時間の順序」)。順序通りこちらを先に読んだ方が『時間は存在しない』の理解はスムーズだっただろう。
  本書の原題”La realta non e come ci appare”はイタリア語で『現実は目に映る姿とは異なる』である。これが、なぜ『すごい物理学講義』というようなタイトルになったのだろうか。少し前に少しだけ売れた多田将さんの『すごい宇宙講義』や『すごい実験』が目に入ってしまい、そいつにあやかろうとした可能性が高い気が微妙にする。そもそも日本人が書いた本と、海外の翻訳物では位置づけが違うだろうし、出版社も違って装丁の基調も違うのだから、もう少し考え直してもよかったのかなと思うところではある。ただどうであれ、原題に沿って付けてしまうと何だかわからなくなりそうなので、きっと困ったんだろうなとも推察する。
  
  本書はイタリアではなぜかいくつかの文学賞を受賞したというだけあり、内容は物理学の歴史と最新理論の解説なのだが、表現がどこか優美である。量子力学の起源を古代イオニアの哲学者デモクリトスまで遡って語る辺りは、まさにイタリアっぽく欧州の本流としての息吹を感じさせる。世界は無限に分割することはできず、最小の有限の粒が存在するというデモクリトスの説は、原子が見つかったことで結果として正しいことが示された。この事物の分割は無限にはできないという原理は、時空間そのものも有限の粒としてしか存在しえないという本書の核であるループ量子重力論につながるのである。
  
  著者は、ニュートンのある書簡にある次のような一節を取り上げる。
  「重力が、ある法則に従って作用する動力因によって引き起こされていることは確かです。しかしわたしたちは、その動力因が物質なのか非物質なのかという点については、わたしの読者の考察に委ねることにしました」
  これが科学者としての称賛されるべき態度である、と言う。なぜなら「自らの無知にたいする確固たる自覚こそ、科学的志向の核心である」からである。デモクリトスと合わせてソクラテスが知の源流として高く評価されるのはここにつながる。
  
  素晴らしい成果とともに、その成果の限界について自覚的あり、そのことにおいて「ためらい」をすら持つべきであること。その姿勢はファラデーに受け継がれ、彼が「ためらい」とともに示した場の理論は、マックスウェルによる美しい方程式によって表現されることになる。マクスウェルの方程式により、光は電磁波の一種であることが示され、その速度が理論上一定であるということからアインシュタインの特殊相対性理論は導かれた。そして、ついに重力は一般相対性理論において重力場によって伝えられることが示されたのである。
  
  一方、プランク、ボーア、ハイゼンベルグ、ディラックらによって創始された量子力学が微細な事物を扱うための理論として成功を収める。著者は、彼らによって構築された量子力学を基礎づける原理として①粒性、②不確定性、③相関性、の三つを挙げる。この原理は次作にあたる『時間は存在しない』でも繰り返し取り上げられているが、二十世紀の科学が辿り着いたとりわけ重要な概念である。「場」と「量子」がすべての基礎となっていることはもはや確実だ。成功を収めている素粒子の標準模型では、光子が電磁場の量子であり、その他の粒子はすべて場の量子とされる。
  
  ここまでで量子重力と呼ばれる問題に当たる準備が整った。先に挙げた量子力学の三つの原理がすべてのことに当てはまるのであれば、量子的な空間とは何なのか、量子的な時間とは何なのか、を解明することが必要となるのである。
  その研究の先に出てくるのが、著者らが推進する「ループ量子重力理論」である。量子的な空間を捉えるためのホイーラー=ド・ウィット方程式の解を求める際に、閉じられた線(ループ)を計算の対象とするとうまく行くことから、この方向で形成した理論のことを著者らはこう呼んでいる。この理論によれば、面積も体積も取り得る値は離散的である。その値がプランク長という極小レベルであるがゆえ、われわれの感覚には空間はなめらかに連続しているように感じられるのである。
  
  「ループ理論」は、著者によると多くの研究者が有望視しているものだそうだ。対抗馬としては有名なものでは「超ひも理論」などがあるが、彼らが根拠と必然性もなく多次元を必要とするのに対して、ループ量子重力理論は量子力学の基礎的考えから導かれる①粒性、②不確定性、③相関性を相対性理論に組み込んだ結果必然的に出てくる仮説であるからこそ有望であると主張する。つまりまず、すべてが粒なのであれば、空間も①粒性をもっていてもおかしくはない。また、空間の量子はリンクによって、あるリンクとリンクの関係性においてのみ所在を特定されるという特徴は ③相関性の原則に沿ったものとなっている。
  
  著者はここから先に進み、根本的な次元では、時間は存在しない、と主張する。この部分をさらに膨らませたのが、『時間は存在しない』となる。ループ量子重力理論によって記述される世界では、「世界を「収容する」空間も、事象の発生を「順序づける」時間も存在しない」のである。
  
  どうやら次の表現がループ量子重力理論による空間の概念を説明するものであるようだ。
  「空間とはスピンの網である。そこでは「節(結び目)」が基礎的な粒子を、「リンク(結び目と結び目をつなぐ線)」が近隣に存在する粒子たちの関係性を表している。スピンの網が、ある状態から別の状態へと変化する過程によって、時空間が形成される。スピンの泡の総和を計算することで、スピンの網の変化の過程が導き出せる。一個のスピンの泡は、スピンの網(つまり粒状の時空間)がたどりうる想像上の行程を表現している。スピンの網の結び目は、ほどけたり合わさったりして、刻々と姿を変える」
  
  すべては「量子化された場」である、として著者は「共変的量子場」こそが実体であると主張する。
  「場の背景にあるのは場であって、「場の支持体」としての時空間を想定する必要はない。場は時空間に浸かっているのではなく、場によって時空間が生み出される。こうした場のことを、「共変的量子場」と呼ぶ。世界は何からできているのか？近年、この問いに対する答えは劇的に単純になった。この世界を構成するすべてのもの、つまり、粒子も、エネルギーも、空間も時間も、たった一種類の実体が表出した結果にすぎない。その実態が、共変的量子場である」
  
  ここでいう劇的に単純になるまでの経緯を知りたければ、図7-8を見ればよいだろう。この図を説明するためにこの本はあると言っても過言ではない。
  
  著者は、超ひも理論への対抗心をもっぱら隠しもせず、自らが手掛けるループ量子理論を真実に最も近づいている理論であると「ためらい」と共に主張する。もちろん、それが正しいかどうかはまだわからないが、「科学が信用に値するのは、科学が「確実な答え」を教えてくれるからではなく、「現時点における最良の答え」を教えてくれるからである」というとき、著者はループ量子重力理論こそが「現時点における最良の答え」であると考えていることは疑うべくはない。
  
  何となくこの理論は正しいのかもしれないと思う。しかし、問題はここから何が言えるのか、だ。量子力学はそれまでの理論では説明できない多くのことを予測したことによって、成功を手にしてきた。素粒子の標準模型はヒッグス粒子など未知の粒子の存在を予言し、見事に的中させてきた。本書の中ではブラックホールの熱問題や宇宙創成の問題などをループ量子重力理論が役に立つ場面として紹介されている。そして、情報こそがその基礎にあると言いたがっている。事物が無限ではなく有限であるということはデジタルな情報を扱う情報理論と相性がよい。エントロピーの概念から始まる情報理論と物理学の相似形こそが世界の原理になるのかもしれない。思えば情報には、①粒性、②不確実性、③相関性がその骨組みには組み込まれていると言っていいのかもしれない。「ためらい」を見せながらも著者が語るところはそういうことなのだ。
  
  ループ量子重力理論というものはこれまで知らなかったし、実は著者は研究者としてはバッタもんですよ、と言われても確認する術はないのだが、少なくとも物理学の総まとめとしてとてもうまく仕上がっている。『時間は存在しない』よりもまずはこちらの方を自信をもってお勧めできるのではないだろうか。
  
  
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  『時間は存在しない』(カルロ・ロヴェッリ)のレビュー
  https://booklog.jp/users/sawataku/archives/1/4140817909
  『すごい宇宙講義』(多田将)のレビュー
  https://booklog.jp/users/sawataku/archives/1/4781609910
  『すごい実験 ― 高校生にもわかる素粒子物理の最前線』(多田将)のレビュー
  https://booklog.jp/users/sawataku/archives/1/4781606245続きを読む

  投稿日：2020.03.01

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  y-mitsu

  ニュートン力学から相対性理論、量子力学へ。そして、それらを統合するループ量子重力理論へ。そこには物理のことを何も知らない門外漢でも驚嘆するような世界を覗くことができる。一般相対性理論では、空間は単なる…空っぽのスペースではなく実態として存在し、歪んだりよじれたりする。量子力学では、微視的な世界を説明してくれるそうだが、そこで起こっていることは確率論的かつ離散的であり、起こった結果は言わば偶然の産物に過ぎないらしい。
  そして20世紀を代表するこの2つの物理学の理論の関係性について考えると、明白な矛盾が認められるそうだ。この矛盾を解決する理論の一つとして、ループ量子重力理論の紹介がなされる。
  そこには、我々が日常感得している世界とは似てもにつかぬ驚異の世界がある。物理学の素養がなくても十分に楽しめる。世界の見方を変えてくれる一冊。続きを読む

  投稿日：2023.11.18

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