時空のからくり

時空のからくり

山田克哉(やまだ・かつや)

時間と空間はなぜ「一体不可分」なのか

はじめに──「宇宙観のコペルニクス的転回」をたどる旅

 私たちの日々の生活と切っては切れないもの──人それぞれにさまざまあると思います。しかし、この宇宙に(そう、宇宙に!)存在するすべてのものにとって・・・・・・・・・・切っては切れないものとなれば、その候補はかなり絞られてくるでしょう。それに間違いなく含まれる“鉄板候補”に、「時間」と「空間」があります。

 そこがどこであろうと、今この本をお読みくださっているみなさんの周囲には、縦・横・高さの3次元からなる「空間」があり、一字一句を読み進めてくださる間に確実に、しかも後戻りすることなく(すなわち一方向に)、絶え間なく流れていく「時間」が存在しています。その両者は今、この文章を書いている私の周囲にも間違いなく存在し、みなさんが日常の多くの時間を過ごす自宅や学校、オフィスにも存在します。いや、そこがどこであろうと・・・・・・・・・・、現時点のこの宇宙に、「時間」と「空間」が存在しないところなど、どこにも存在しえないのです。

 きわめて興味深いことに、日常の感覚からはどう考えても別物に思えるこの「時間」と「空間」について、決して分けて考えることのできない、つまり「本質的に一体不可分のものである」とする突拍子もないアイデアを思いついた人物が、今からおよそ100年前に登場しました。かの有名な、アルベルト・アインシュタインです。

 1915年から1916年にかけて、アインシュタインは「一般相対性理論」とよばれる物理学史上に画期をなす理論を構築しました。この理論の重要な主張の一つは、私たちが存在するこの宇宙において、唯一「絶対的」とよべるものは「光速度」のみであり、その他いっさいの事物はいずれも「相対的」なものにすぎない、というものです。

 その帰結として、「時間」も「空間」も決して絶対的な存在ではなく、物質(なかんずくその質量)と相互作用して、ときに縮み、ときに曲がる、あたかもゴムのようにふるまう“弾性体”であるという描像が提示されました。しかもこの両者は、本質的に一体不可分な「時空」として融合され、その物理的性質を根本から捉え直されることとなったのです。

 時間と空間が一体不可分であるとはどういうことか。なぜ縮み、どう曲がるのか。さらには、「時空のゆがみ」こそが重力の本質であるとする考え方は、どのように生まれてきたのか──。「時空のからくり」を解き明かす本書の試みは、アインシュタインが私たちに迫る「宇宙観のコペルニクス的転回」をたどる旅に他なりません。そして、それはすなわち、一般相対性理論のエッセンスを理解する道のりでもあります。

 本書では随所で、“八っつあん”と“熊さん”が物理学をテーマに対話を進めながら「時空のからくり」をひもといていきます。好奇心旺盛な八っつあんの指南役ともいうべき熊さんは、なかなかの“物理学通”であるようです。彼らの掛け合いを楽しみながらぜひ本書を……、おやおや、二人が早速、なにやら話し始めているようです。

八っつあん 熊さん、あんた今、アインシュタインの相対性理論に関する本を執筆中なんだって?

熊さん ああ。特に「時空」って概念に力点を置いた一冊だ。といっても、啓蒙レベルの本だから、できるかぎりやさしく書いてるつもりだよ。

八っつあん ……俺にも理解できるといいな。それで熊さん、相対性理論ってのは、いったいどんな理論なんだい?

熊さん 相対性理論には二つあって、一つは「特殊」相対性理論、もう一つは「一般」相対性理論だ。どちらも「時間」と「空間」を扱っていて、この両方を合わせて「時空」とよんでる。時間と空間が融合した時空―正確には「4次元時空」とよばれるものだが―、こいつを一体化して組み込んでいかないと、理論の整合性がとれなくなるばかりか、各種の実験結果とも合わなくなってしまうんだ。2016年に初めて検出された「重力波」の存在も、この宇宙がどうしても4次元時空から成り立っていなければならないことを示すものだったんだよ。

八っつあん 時間と空間に関する理論か……。なんだか難しそうだな。なんてたって、時間も空間も目に見えないし、触ることすらできねえときてる。色も形もないから、絵に描くことも写真に撮ることも不可能だしな……。

熊さん まったくそのとおりなんだが、相対性理論では時間も空間も―つまり「時空」は、あたかも“物体”のように扱われ、物理学の“対象”になっているんだ。物体の存在自体がその周囲の空間になんらかの影響を与えて空間を変化させたり、あるいは空間も時間も同時に縮んだりするんだよ。

八っつあん なんだって!? 時間や空間そのものを、いったいどうやって物理学的に取り扱えるんだ? まったくなすすべがないように思えるんだがなあ。

熊さん 驚くなよ。実は、時空はゴムのように膨らんだり縮んだりする。一般相対性理論では、時空は「弾性体」のようにふるまうんだよ。だから、たとえ見たり触れたりできなくても、時空は当然、物理学の対象になりうる。時空が膨らんだり縮んだりを繰り返すと、それは「時空の伸縮の振動」となる。特に、空間(真空)の振動は光の速さで伝わり、それが「重力波」を形成する。重力波の存在は、物質やエネルギーが空間(正確には時空)をゆがませることの証拠になるんだ。2016年2月、この重力波が検出されて一大ニュースとなったことを覚えているだろう? 一般相対性理論では、この「時空のゆがみ」をもって重力場としていて、重力は時空のゆがみによって生じるものと再解釈されるんだ!

八っつあん やれやれ、物理学者ってのは、なんだかすげえことを思いつくもんだな……。そんなふうに難しく考えなくたって、この世の中、何にも変わりゃしないだろうに。

熊さん 確かにそうかもしれねえな。だけどよ、せっかく生まれついたこの宇宙に関して、その成り立ちや性質が詳しく理解できるってのは、ワクワクする話じゃねえか。それが物理学の、すなわち、物事のからくりを解き明かす営為の、いちばんの魅力なんじゃねえかな。ところで八っつあん、あんた、「色も形もない」空間や時間を「無」だと考えてないかい?

八っつあん そりゃあそうだろ。そこに何かの物質が存在しなけりゃ、何も起こりようのない「無」に違えねえ。

熊さん ところが、だ。空間や時間は、決して本当の「無」なんかじゃない。本当の「無」ってのは、「時間」「空間」「物質」の三つすべてが、どれも存在しない状態をいうんだ。俺たちの宇宙は、そのような「無」から誕生したとされている。それこそ「なんだかすげえ」話だろ? 最終第7章では、138億年前の宇宙誕生直後に発生した「原始重力波」ってやつが登場する。この原始重力波は、2017年5月現在では観測されていないが、実測されたら、今はまだ想像の領域にある「宇宙の起源」がかなりハッキリしてくるだろう……。

八っつあん 熊さん、ちっとばかり話しすぎだよ。続きは本文で、じっくりな!

 2017年初夏、ロサンゼルス郊外にて

山田 克哉

山田克哉(やまだ・かつや)

1940年生まれ。東京電機大学工学部電子工学科卒業。米国テネシー大学工学部原子力工学科大学院修士課程(原子炉理論)、同大学理学部物理学科大学院博士課程(理論物理学)修了。Ph.D.。セントラル・アーカンソー大学物理学科助教授、カリフォルニア州立大学ドミンゲツヒル校物理学科助教授を経て、ロサンゼルス・ピアース大学物理学科教授に就任。2013年6月に退官。アメリカ物理学会会員。主な著書に『原子爆弾』『光と電気のからくり』『量子力学のからくり』『真空のからくり』(いずれも講談社ブルーバックス)などがある。1999年には、講談社科学出版賞を受賞した。

[B2019]

時空のからくり 時間と空間はなぜ「一体不可分」なのか

山田克哉

時間と空間はなぜ一体不可分なのか? 時空のゆがみこそが重力の本質とはどういうことか? 山田流徹底解説「からくり」シリーズ最新刊。

定価 : 本体1,080円 (税別)

ISBN : 978-4-06-502019-7

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