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物理学の新しい発見について多くの話を耳にしますが、それは私たちに何をもたらすのでしょうか？今日は、暗黒物質、量子重力、統一理論の発見が私たちにもたらす可能性のある実用性について考えてみたいと思います。以前にこの話題について触れていなかったことが信じられません。「何の役に立つのか？」という、とても単純な疑問です。なぜ私たちはその質問をすることをやめてしまったのでしょうか？
ファインマンの有名な言葉を引用してみましょう。「物理学はセックスのようなものだ。実用的な結果をもたらすかもしれないが、それが目的ではない」。これは当時の話です。今日では出生率が非常に低いため、世界中の政府が「実用的な結果」を忘れないよう求めているようです。そして、おそらく物理学者たちも実用的な結果について再び考える時が来たのかもしれません。
しかし、「新しい物理学」には実用的な結果があるのでしょうか？「新しい物理学」とは、メディアが根本的に新しい発見、つまり以前は知られていなかった自然法則を表現するために使用する標準的なフレーズとなっています。これは物理学の多くの研究分野にとって少し失礼なのかもしれません。実際、推測する必要はありません。なぜなら、その分野の人々が絶えず私に不満を漏らしているからです。
最近の物理学のノーベル賞を見てみると、実際には物理学に関係ないものを除けば、例えばトポロジカル絶縁体やフェムト秒の測定などに授与されています。これらは新しく、物理学的なものでした。つまり新しい物理学ですよね？はい、しかし。これらの発見は、私たちがすでに知っている理論の枠内に収まるものでした。
「新しい物理学」という用語が使われる場合、それは既知の理論に当てはまらないものを意味します。例えば、暗黒物質やダークエネルギーの正体の解明、統一理論、量子重力の発見、または量子力学が正しくないことを証明することなどが挙げられます。これらは何の役に立つのでしょうか？それが今日お話ししたいことです。
新しい発見は、知識の獲得と実用的な応用の両方をもたらす可能性があります。もちろん、発見をする前にそれが何をもたらすかを知ることはできません。しかし、物理学の基礎で私たちが解決しようとしている問題については知っており、それは解決策がどこに適合するか、そして何に役立つ可能性があるかを示唆しています。
まず、暗黒物質から始めましょう。仮に私たちが最終的に暗黒物質を構成する粒子を発見したとして、それから何を学べるでしょうか？ほぼ確実に、銀河がどのように形成され、時間とともに変化するかを理解する助けになるでしょう。これは、銀河の形成や合体の詳細が、その粒子の質量や相互作用の速度といった特性に依存するためです。同じ理由で、銀河フィラメントの大規模構造や、おそらく初期宇宙における物質そのものの起源を理解する助けにもなるでしょう。
それ以外については、私たちにとってあまり意味を持たないと思います。なぜなら、暗黒物質が粒子であるとすれば、それは通常の物質をすり抜けることがすでに分かっているからです。つまり、私たちはそれを捕まえたり、何かに利用したりすることはできません。
暗黒物質の代わりに、重力が修正されている可能性もあります。これもまた、宇宙がどのようにして現在の姿になったのかについて多くを教えてくれるでしょう。しかし、これも実用的な観点からは、その知識でできることはあまりありません。理由は暗黒物質の場合と似ています。もし重力が修正されているとしても、私たちの周辺では非常に小さな修正でなければならないことが分かっています。そうでなければ、すでに気付いているはずだからです。
ただし、もし私たちが宇宙を旅する種になれば、暗黒物質が人体にどのような影響を与えるのか、あるいは修正された重力をどのように適切に考慮するべきかを知る必要があるでしょう。間違った方程式を使って、間違った銀河に行き着いてしまうのは残念なことです。
次に統一理論に移りましょう。「大統一理論」とは、素粒子物理学の標準モデルにおける三つの相互作用、つまり電磁気力と強い核力、弱い核力の共通の起源を説明する理論です。大統一理論には、まだ測定されていない追加の粒子が含まれています。重いゲージボソンやより複雑なヒッグス粒子、追加のフェルミオンなどです。これらの一部が暗黒物質を構成している可能性があります。
他の粒子には実用的な用途があるでしょうか？いいえ。なぜなら、もしそのような粒子が存在するとすれば、それらを生成するには非常に大きなエネルギーが必要か、あるいは生成確率が非常に低いことがすでに分かっているからです。そうでなければ、粒子加速器ですでに現れているはずです。いずれにせよ、何かに使用するには全く実用的ではありません。
大統一理論は、原理的には標準モデルにおける粒子の性質を計算することを可能にするかもしれません。しかし実際には、私たちはすでにこれらの性質を知っているので、そこから得られるものはあまりありません。さらに、大統一理論は通常、破れなければならない大きな対称性群を持ちます。この対称性の破れは多くの新しいパラメータを導入し、これらの理論を計算の観点から単純なものにはしません。物理学者がよく言うことと反対に、実際には標準モデルよりも複雑なのです。
次に量子重力について考えましょう。これは重力と量子物理学を組み合わせた理論です。現在私たちが使用している重力理論は一般相対性理論で、重力を時空の湾曲として記述します。したがって、量子重力理論は空間と時間の量子的性質も教えてくれるはずです。空間と時間は因果関係と光速を生み出します。そのため、量子重力はこれらの規則をどのように曲げたり破ったりできるのかを教えてくれる可能性があります。
量子重力は、ブラックホールの内部やビッグバンで何が起こるのかを教えてくれると期待されています。もちろん、それが成功するかどうかは分かりませんが、これは合理的な期待です。とはいえ、量子重力も前述の問題と同様の課題を抱えています。つまり、その効果が弱く検出が困難であることが分かっています。そうでなければ、すでに測定されているはずだからです。これは実用的な用途が大きく制限される可能性を示唆しています。
しかし理論的な観点からは、量子重力を理解することは、大統一や暗黒物質の解明よりもほぼ確実に実り多いものとなるでしょう。なぜなら、前者の二つは現在使用している数学的枠組み、つまり量子場の理論に容易に組み込むことができるからです。しかし、量子重力についてはそれが機能しないように見えます。
完全に新しいものが必要なようです。例えば、最近話題にしたスティーブン・ウルフラムのハイパーグラフや、ジョナサン・オッペンハイマーのポスト量子重力理論などです。これが、私が思うに、物理学者たちが大統一よりも量子重力により熱心になる理由です。
これは量子物理学自体に何があるのかという疑問につながります。量子物理学では、測定で何が起こるのかを本当には理解していないという問題があります。測定を扱う標準的な方法は、これが量子効果が消失する瞬間だと言うことです。
そしてそれが起こることは知っていますが、どのように起こるのでしょうか？簡単に言えば、量子的性質を持つ物体は小さい傾向があり、その性質を持たない物体は大きい傾向があることは分かっていますが、詳細は理解していません。それは単に大きさ、総質量、粒子の数の性質だけではないようです。
測定が行われるかどうかは、粒子が何をするか、どのように性質を増幅するか、測定したい性質に依存します。もしこれを理解できれば、量子効果がいつ持続するのかをより良く理解できるでしょう。量子物理学には、光速よりも速いように見える奇妙な非局所的な振る舞いがあることも覚えておいてください。
それが実際にそうだと言っているわけではありませんが、そうかもしれません。つまり、量子物理学における測定を理解することは、局所性と光速の制限についてより多くを知る別の方法だということです。新しい物理学の中で、これが応用に最も近いものです。検出器とは何かを知ることができれば、より良い検出器の構築に役立つかもしれないと考えることは、大げさではないと思います。
しかし、この問題が応用により近いことにはより一般的な理由があります。それは、測定のプロセス、量子効果の消失が、私たちが実験的にアクセスできる範囲内で起こっているからです。重い新粒子や量子重力の弱い結果とは異なり、これは私たちの目の前で絶えず起こっています。
したがって、これが何らかの応用に役立つ可能性があるのは十分にありえると思います。例えば、核融合は究極的にはトンネル効果のプロセスであることを覚えておきましょう。これは量子現象です。量子物理学の仕組みをより良く理解できれば、このプロセスに影響を与える方法で、まだ考えていないものがあるかもしれません。
そうなるとは言っていません。ただ可能性があるということです。ダークエネルギー、宇宙を膨張させているその謎の物質についてはどうでしょうか？とても有望に思えます。このエネルギーを取り出して、車を動かすことはできないでしょうか？ダークエネルギーの問題は、もし存在するとしても、極めて薄く分布しているということです。たとえそれを利用する方法を知っていたとしても、あまり役に立たないでしょう。
最後に、そして、これは軽視できない点ですが、これらの問題の一つを解決することは、他の問題の解決にも役立つかもしれません。暗黒物質の正体を理解することは大統一に役立つかもしれませんし、その逆もありえます。修正重力は量子重力の理解を助け、量子重力は代わりに統一に役立つかもしれません。
しかし、おそらく私たちが問うべき質問は、新しい物理学が私たちに何をしてくれるかではなく、私たちが新しい物理学のために何ができるかということなのかもしれません。もしこの動画が物理学のために何かをしようという気持ちにさせたのなら、Brilliant.orgをチェックすることをお勧めします。一般的な問題解決能力と特定の科学的知識の両方を学ぶための素晴らしい出発点だからです。
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