衝突たったひとつ欠けてただけの平和だった時代エーテル確認されず。一部の領域では、それまで誰も体験した事がないほどに、異常なレベルの混乱が続いている。無知ゆえにでも、無能ゆえにでもなく、それはまさに叡知ある先代の者達が引き起こした偉大なる混乱である。混乱が起きている領域とは、20世紀の始めに登場し、今なお物理学を支える支柱となっている二つの理論が重なる領域。mechanics)』。問題なのは、この二つの理論に、問題らしき問題が全く見つかっていない事である。この世界で、確かにありうる特定の状況で、この二つの理論を併用して適用出来ないという事以外に。今の物理学に詳しく、しかし歴史を全く知らない人には、衝撃的な話であろうが、十九世紀後半の時代、物理学というのは、もうほとんどパラダイムシフトなど起こりえない、どころか解決すべき難題すらほとんど残されていないような分野だとされていた。それ自体は不変的にただ存在している空間。刻一刻とすぎるだけの不変的な時間。mechanics)』。「ニュートン」万有引力の発見。これだけの要素で世界のどんな現象も説明できた。(現在考えられている物理学的世界観からすれば)単純で、理解しやすい世界。物理学者達に残されていた重要な課題は、ほぼ全てが理解されているような時代において、いまだ成されてなかった、エーテルなるものの確認のみ。その探求は、物理学時代の終演でなく、始まりとなる。光というのは電磁波と同じ(つまり水と氷みたいなもの、状態が違うだけ)だと、マクスウェル(1831~1879)という人が説いた。彼はまた光の速度を(約)秒速30万キロほどだと示した。それだけなら別になんて事もなかった。秒速30万キロなんて凄く速い。問題(とされたの)は、この光の速度が、どんな観測者のどんな状況にも左右されない絶対的なものである事。直進する光の隣で、光と同じ方向に同じ秒速30万キロで移動している人が、隣を進む光の速度を計測すると、どういう訳だが、秒速30万キロほどと計測してしまうのである。十九世紀までの物理学の知識しかない人なら仰天する結果である。普通、個人個人が認識する何かの速度は相対的なものであり、例えば時速60キロで走る車に、あなたが僕と共に乗っている時、(外の人達から見たら)あなたも僕も時速60キロで動いているはずなのに、互いの目線的には、互いに静止しているように見えたりする。光の速度で動く者にも、光は静止しているように見えないのである。この結果は、光という波の媒体、エーテルを捉える為の実験によって導きだされた。ご存知だと思うが、この地球という星は太陽の周りを常に動いている。この宇宙にエーテルが満ちているなら、地球の動きに影響を受けているはず。水中でボールが動くと、水が影響を受けるように。仮にエーテル自体が、観測不可能な(実際にそう考えられていた)機構なのだとしても、エーテルを媒体とした波である光(つまり電磁波)は観測出来る。一方向へと動く地球の上で、いくつかの方向から同じ距離を進む光の、方向に応じた相対的速度を計り、それらの相対的速度のズレ具合から、エーテルが地球に対し、どのような動きをしているのかがわかるはず。どんな精密な実験でも、地球の動きに対する光の相対的速度はズレなかった。光の速度は絶対的なものだったのである。原子に内部構造?また、最小要素であるはずの原子の内部構造がはっきりと明らかになりだしたのも19世紀と20世紀の境目である。原子が崩壊するという事が明らかとなり、さらに、原子とは別物だとも考えられていた『電子(Electron)』が、原子内部に潜んでいる可能性も示唆され始める。最終的に、物理学者達は、「『陽子(proton)』と『中性子(neutron)』とで成る『原子核(Nucleus)』と、その周囲を漂う「電子の雲」という原子の内部構造モデルを構築。だが漂う電子の雲とはどういう事か?電子はたったひとつでも、複数個でも、それを形成するという。文字通りの雲ではなく、それはいわば「存在確率の波動」などという容易には理解しがたいものである。こんな奇妙なモデルが提唱された訳でもない。電子はさっさと(回転(?))エネルギーを失い、反対の電荷を持つ(電磁気学的には、マイナスの電荷を持つ電子は、プラスの電荷を持つ原子核と引き合うはずなので)原子核に落ちてくっついてしまわないのか?という疑問になんとか上手い解答を返す為の苦心の結果が、そんなモデルだというだけの話である。光の奇妙さは、その絶対的速度だけではなかった。effect)』という現象があるのだが、これは、金属原子などが、内部の原子核と電子の結びつきが弱いために、光のエネルギーによって弾き出される為に起こるとされている。水の波を見ればわかるように、波の道筋は、周期的に曲がりくねり、その瞬間、瞬間に少しずつ上下に方向を変え、連続した山と谷を作る。波が作る、その連続した山と谷の中で、隣り合う山と山の間の距離を波長と言うのだが、当然、光も波なので、その波長なるものがある。奇妙なのは光電効果が起きる際に、光量を増やしても(つまり光を明るくしても)金属から弾きだされる電子の数が増えるだけで、電子が弾き出される勢いは強くならない。波長を変えれば電子が弾き出される勢いが強くなったり、あるいは弱くなったりする。具体的には波長が短くなるほどに、電子は力強く弾き出されるのである。何よりもおかしいのは、ある波長以上になった光は、もうどれだけ量を増やしても、光電効果を一切起こさなくなってしまうという事だった。モノはエネルギーを持つ、当然光も。モノの量を増やせば、当然エネルギーも増えるはず。光はどれだけ量を増やそうともエネルギーが増えないらしいのである。それどころか、ある波長以上の光は、エネルギーを持たないのかもしれない。波長の長い光がエネルギーを持たないなんてのが、明らかにおかしい結論なのは、ストーブで暖まった経験がある人なら理解しやすい。ray)』という光を発する。赤外線は波長が長く、光電効果的にはエネルギーが大したことないように思える。実際に、ストーブの間近で、それが発する大量の赤外線を浴びれば、(たいていの人の基準で)相当に熱い。rays)』がよく知られている。紫外線も近くで大量に浴びれば危険だろうが、曇に遮られた太陽が、なんとか届けてくれるわずかな紫外線なんて全然大した事ないみたいに思える。「気温の原因」温室効果の仕組み。そんなわずかな紫外線でも光電効果によって、(数はわずかでも)電子に強烈な衝撃を与えるらしい。大量の赤外線のエネルギーは本当に、僅かな紫外線に負けているのか?光電効果で飛ばされる電子の勢いを参考にするなら、明らかに負けている。エーテルを見つけようとしたが、見つけられず、代わりに自分達がいかに無知であったかを思い知らされた。ここまでに紹介したもの以外にも、数多くの既存理解の崩壊があった。極端なのも、静かに地味に壊れた考えもある。gravitation)』は、多分静かな崩壊だった。人類史上、最も偉大な発見のひとつとされ、数百年以上にわたり、科学者達に崇められてきた、今だって使われる(使える)単純な数式。質量と質量が引き合う強さを述べたこの数式は、地球の重力の強さ(それからの脱出速度)や、惑星の動きなど、この世界で見られる多くの現象を上手く説明した。この定理のみでは説明出来ない現象をどう考えればよいかは意見が割れた。shift)』であろう。これは太陽の周りを巡る水星が、一週ごとに、太陽に最も近づく位置を変えていく現象。この水星の近日点移動に関して、周囲に(太陽と水星に比べれば)大きな質量もなく、運動エネルギーを奪う摩擦を生じさせるものもないので、近日点がどのように変化していくのかを万有引力の定理で予測するのは容易いはずだった。ところが万有引力の定理を用いて、予測した水星の近日点の変化経路は、実際のそれとズレてしまう。それが意味する所は明らかだった。万有引力の定理は不完全だったのである。二十世紀へ光の絶対的な速度。原子よりさらに深く、小さな基本要素の存在。間違いなく完全ではない万有引力の定理。十九世紀の物理学者達は、自分達は全てを知りつつあると自覚しながら、大量の問題を残してくれた。光がなぜ絶対的な速度を持っているのかを、誰もが納得出来るレベルで説明してみせたのは、当時、特許局で働いていたアインシュタイン(1879~1955)なる人物だった。アインシュタインは、光の速度に関する性質を説明する為の最初の一歩として、まずエーテルを捨てた。それは明らかに成功した。アインシュタイン以前の者達は、「確認こそされてないがエーテルは確かに存在している」という考えに囚われすぎていた。実際は、エーテルにどんな新機能を考えるよりも、彼があらたに提唱した理論は、上手く(光の速度に関する謎について)全てを解決した。今では特殊相対性理論という名で知られるその理論では、まずこの世界を四次元と考える。縦、横、奥行き、明らかに空間は三次元である。第四の次元として当てられたのは、基本的にはそういうものでないと考えられてきた、時間。して、それまではそれぞれに全く別の概念とされていた空間と時間は、ひとつとされ、時空と名付けられた。contraction)』なる現象。「運動する物体は、静止しているか、より遅い運動を行う観測者から見たら縮む」というこのローレンツ収縮を、単に空間を動く物体にでなく、個々の物体ごとが個々に認識する時空に適用すれば、問題は解決した。相対的だったのは光の速度でなく、時間と空間だったのである。あなたが、僕の前を、光速にかなり近い速度で走ったとする。静止している僕にはローレンツ収縮により、あなたが縮んで見える。走っているあなた自身には、自分の姿が縮んで見えてはいない。ここに、光速に近いが、それよりは遅いあなたを、さらに光が横切る場合を考えてみればよい。速度というのは、対象の速度をv、ある時間をt、ある時間tの間に移動した距離をdとして、という式で求められる数値である。普通に考えるなら、あなたの視点と、僕の視点にて、(あなたの体の長さが違ってるなら)あなたを追い越す光が進まなければならない距離は、あなたと僕の視点によって違っている。すると当然、僕とあなた、それぞれが計測する光の速度は違っているはず。光の速度は、誰がどういう状況で観測しようと変わらない。矛盾をなんとかするには、ローレンツ収縮を時間にまで適用するしかないであろう。僕が見るあなたの長さを0.1m、あなた自身が見るあなたの長さが0.5mだとして、さらに(簡単のために)光の速度を秒速0.5mだとする。あなたにとっての1秒が、僕にとっての5秒ならば(つまりあなたの時間がローレンツ収縮により縮んでいるなら)僕らは公式より、当然、光速度を同じ値として計算する訳である。ここでこう思う人もいるかもしれない。「時間が縮むなんて考えなけれぱならないのは、そもそも空間にてローレンツ収縮が働くとした場合だろう」と。そもそもローレンツ収縮を適用しなければ、「誰が観測しようと光速度は不変」だという事実を説明するのは難しい。「光速に近づく者の時間が縮む」と示しているだけでない。その計算結果から導かれる重要とされるふたつの結論がある。ひとつが、有名な、すなわち、質量とは実は姿を変えた(持った(?))エネルギーというものである。計算式によると、光速を越えて加速するのに必要なエネルギー数値は、無限なのである。無限とは、何よりも大きい数である。加速する為にどれだけエネルギーを高めようとも、そのエネルギーは無限よりは小さい。よって光速を越える事が出来ない。「タイムトラベルの物理学」理論的には可能か。問題とは万有引力が瞬時に伝わるとされていた事だった。光速より速いはずがないのに。して万有引力の定理と異なる、特殊相対性理論と矛盾なき新たな重力理論が必要となる。一般相対性理論はその為の、つまり新たな重力理論であった。周囲に大きな天体(重力源)のない宇宙空間を、ロケットに乗って進む時、ロケットが十分勢いよく進んでいるなら、あなたの体はロケット内の壁に、まるである程度の重力があるかのように立てるであろう。ロケットが停止すると、(元からだけど)いきなりの無重力状態で、あなたの体は宙に浮くと考えられる。あなたは、地球の上に立ってるか、座ってるか、寝転んでるかしてると思うけど、今、いきなり地球が跡形もなく消えてしまえば、やはり(今回はほんとの意味で)いきなり無重力状態で、あなたは宙に浮くはず。一般相対性理論によると、これらは状況、原因は違えど、あなたが体感する経験は同じだという。重力は引力でなく、加速させる力なのである。加速なので、十分に重力が強ければ、特殊相対性理論のような時間の縮みが発生する。逆に加速は、重力に引っ張られるのと同じなので、加速するモノは重くなる(質量(エネルギー)が増す)。重力はどのようにモノを加速させるのか?時空の歪み球体上などでの諸々を数学的に記述する、「リーマンの幾何学」を実際の宇宙に適用して考えたなら、上手くいった。宇宙が球体上だとか考えるのではない。重力が、時空間を曲げてしまうものだとしたのである。質量は空間を歪ませる。その歪みが広がる速度は光速度と同じだとして、計算すると、万有引力の定理では出来なかった「水星の近日点移動の変化予測」も出来た。して、一般相対性理論もまた、かなり確からしいとなったが、それは、今ではすっかり有名となった二つの奇妙な結論を生む。ビッグバンとブラックホール、それに特異点どう数字を割り当てようとも、一般相対性理論の計算式をそのまま使えば、この宇宙は広がり続けるか、収縮しているかを続ける。この考えをそのまま受け入れ、宇宙は小さな点から広がる事で始まったという『ビッグバン理論』は誕生した。あるモノが、ある質量以上になった時、そのモノから発せられる重力は、この宇宙で最速であるはずの光が進む経路すら、その場でループしてしまうほどに(空間を)ねじ曲げてしまう。なるともうその重力の範囲からは何も逃れられない。Hole)』と名づけた。「ブラックホール」時間と空間の限界。ビッグバンやブラックホールの何が問題なのかというと、ビッグバンは最初の点、ブラックホールはその中心の点である。singularity)』と呼ばれる、いくらかの質量が無限に収縮していく点。本当に二つの相対性理論が正しいのなら、確かに存在するはずの、その(名前通りに)特異な点をどう解釈すればよいのか?まともな解釈が出来るというなら、ぜひともしてみてほしい。特異点はまさに、「開かずの扉の先にいた不死身の怪物」みたいなものだ。近づく時や、高重力場に関して相対性理論が解き明かしていったのと、ほぼ時を同じくして、原子以下の世界を記述する量子力学は誕生した。密閉された空間内における電磁波の持つエネルギーの問題に取り組み、まったく予想外のとんでもない可能性を導いてしまう。密閉された空間内を熱した時、その空間内には熱に応じたエネルギーが発生する。アインシュタインが、質量はエネルギーなどと言い出す前から、光や電磁波はエネルギーだと考えられていたので、つまり密閉空間内には、光(電磁波)が発生するその発生する光の強さを計算式で導こうとすると、従来のように光を波としていては上手くいかなかったのである。熱が高まり、エネルギーが増す時、エネルギーの波は様々なパターンを見せる。それら全てのエネルギー密度を計算したら、密閉空間内のエネルギーは無限だという結果が出てしまう。宇宙全体ならともかく、単に密閉された小さな空間内のエネルギーが無限だというのは何かおかしく思えるであろう。そこでエネルギーは連続的なものでなく、物質が原子の塊であるように、何か小さな構成要素の塊だというアイデアをプランクは採用してみた。想像すればいいだろう。あるエネルギー領域について考える。右端が数字で1という弱いエネルギー。左端が数字で5という強い(?)エネルギー。この領域全体のエネルギー密度を考える場合、右端は1、左端が5だとして、後はその間のエネルギーを調べ、合計すればいいであろう。エネルギーが連続的に変化するものならば、例えば1と5の間には2や3だけでなく、1.1とか2.0264312とか、無限の数字が存在する事となり、当然その全てのエネルギーを計算したら無限になってしまう。エネルギーが1の倍数の数字にしかならないとしたら、1と5の間のエネルギーは単に2、3、4しかなくなり、全エネルギー密度が無限になるのを回避出来る。エネルギーには最小単位があったのだ。エネルギーが変化する時、その変化は不連続だったのである。エネルギーを数字で表す時、その値はかならず、『プランク定数』と呼ばれる数の整数倍となる。このプランク定数こそが鍵となる。光電効果の解明プランクのアイデアに影響を受けたアインシュタインは、光を波でなく粒子とすれば、光電効果を説明出来るとした。そもそも光電効果の問題は、光の量を増やしても、つまり総エネルギーを増やしても、弾き飛ばす電子の量を増やしはするのに、勢いは強くしない。いう訳だが、波長を短くすると、電子は強く弾き飛ばされるという事だった。光が波でありながら、実は粒子の集まりだとしたらどうだろうか。エネルギーを持つのは『光子(photon)』と名付けられた、その粒子ひとつひとつであり、そのエネルギーの強さが波長の短さとして我々に捉えられるのだとしたら、謎は解ける。光、つまり光子の集まりが、鉄などに当たる時、不安定な電子に当たった光子は、それを弾き飛ばす。その強さは当然、光子ひとつひとつの抱えるエネルギー量(波長)に比例する。波長が短くなれば飛ばされる電子の勢いが増すのだ。光量を、つまり光子の数を増やせば、当然、不安定な電子に当たる光子の数も増える。光量を増やすと飛ばされる電子の数は増すのである。ある波長以上の光が、量をどれだけ増やそうと、光電効果を起こさない理由も今や明らかだ。その光を成す光子それぞれのエネルギーが電子を弾き飛ばせないほどに弱いのである。光子の数を増やせば、全体の総エネルギーは増す。光子ひとつひとつが弱いので、いくら不安定な電子に個々で当たろうと、効果はないという訳だ。二重スリット実験エネルギーの最小単位。波であるはずの光を構成する粒子は、いつしか『量子(quantum)』と呼ばれるようになった。研究が進むと、原子以下の世界はこの量子なるもので構成されているという事がわかってきた。電子も量子のひとつとされた。現在、その内部構造が明らかとなっていない、最小要素候補は全て量子だとも言われる。量子は粒子であるように思われる。それが集まって物理的な何かを形成するのだから。量子は波の性質を持っている。experiment)』という方法ではっきり確かめられている。二重スリット実験に必要なのは、単体の電子(量子)の発射台と、電子を焼き付けるスクリーン。発射台とスクリーンの間に置かれた、二ヶ所にスリット(隙間)がある板。この実験はかつて、まだ電子を単体で放つ事が出来なかった時代に、光が波である事を証明する為に行われた。単体の電子でなく、光をスクリーンに向けて放つ。すると二つのスリットを潜った先にて、光はスクリーンに縞模様を映したのである。仮に、光が粒子であるなら、縞模様でなく、単に二つの模様がスクリーンに映されるはずである。スリット二つのいずれかを、それぞれ潜った光の粒子は、それぞれがそのままその先の模様を作る。光が波なら、スリットを潜った先で、それは広がり、重なった部分部分で(波というのはそういう性質があるので)打ち消しあい、結果、縞模様が出来る。実際、光が波だとされた最大の証拠のひとつが、スリットの先で、光が縞模様を作るというこの実験の結果であった。時代を戻して、単体の電子でこの実験をやればどうなるか?電子をひとつ発射すると、スクリーンにはひとつの点が出来る。電子をさらに次々と放ち続けるとどうなっていくか?それをただの粒子として認識する人には、多分全く信じられない事に、電子ひとつひとつは、最終的に縞模様を作るのである。ひとつひとつ放たれた電子はどこにいる?電子を放つと、それはスクリーンに到達する。どこかで波のような打ち消し合いが起こる。電子が辿った経路の記録が、新たな電子の経路を打ち消しているように。この事実は不死身どころでない。したら人間の知能では理解できない怪物であった。物理学者達は、この世界を暴こうとして、自分たちの目を潰してしまったのかもしれなかった。量子の振る舞いを数学的に記述する最も一般的な式のひとつがシュレーディンガー方程式である。この数式に、i(虚数)が現れる理由についてわからないという人や、そもそも「虚数って何?」という人は、これについては気にしないでいいと思う。(原因は数学側の仕様のせいであり、物理学はあまり関係ないので)「複素数とは何か」虚数はどれほど実在してないか。他は、ここでの議論に重要な『ψ(プサイ)』以外は、時間の変化とかエネルギーに関係してる部分であり、はやりここではそんなに気にしなくていい。function)』と呼ばれるψで表される要素である。波動関数は、まさに量子が持つ未知の要素を示している。波動関数は、量子の持つ波の性質を数式上にもたらす為の要素である。それは粒子としての量子の不確実性とも言える。実際に波動かどうかは知らないが、とにかくそれがあれば、かなり量子の効果を予測出来るのである。それは本当に波なのだろうか?現在主流とされている解釈は、その波とは、量子の存在確率の分布だというものである。ある量子は、波の性質を発揮している時、その波の範囲のあらゆる場所に確率的に存在している。それが波の性質を影を潜めた時に、確率的に存在していたどこかが定位置となる。シンプルな解釈がある。それはつまり、確率的に存在してるのでなく、その全ての場所に存在している。その全てのいずれかが定位置のパラレルワールドが無数に存在しているのだという解釈。こちらの方が理解はしやすい人も多いだろう。波動にせよ、パラレルワールドにしろ、量子の存在する位置が、その瞬間瞬間になるまで決まっていないのだとしたらどうか。それはある量子が、次の瞬間にどうなっているのか、確実な予測が出来ないという事を意味している。principle)』と呼ばれるこの事実が示される以前の物理学者にとっては、それは当たり前などではなかった。今でさえ、誰もがこの不確定性原理なんてものを受け入れている訳ではない。あなたは例えば、ボールを適当に投げた時に、それが最終的に、どこに落ち、止まるのかを、数センチ、数ミリ、もっと小さなレベルでの誤差もなしに、予測する事は出来ないかもしれない。それはあなたが無知であるからにすぎないというのが、不確定性原理を信じない全ての者の意見である。仮にあなたがボールの質量、より正確な形、というよりこの宇宙の全ての物質についての情報全てを知っていて、かつそれら全てを考慮に入れたシミュレーション構築能力を有しているなら、あなたは、ボールがどこに落ち着くのかを知れるはずである。不確定性原理なんてのが存在しないなら。真空にすら揺らぎ不確定性原理はそれ自体恐ろしいが、それだけではない。真に恐ろしいのは、予測出来ない事ではない。そこに必ず何かがある事た。ある閉じた空間の中のどんな粒子も、エネルギーも一切取り去ってしまった時、そこは間違いなく真空になると信じられていた。言うなら「空っぽという概念」だけがある、そんな空間。「ループ量子重力理論とは何か」無に浮かぶ空間原子。不確定性原理は、その真空とか、空っぽとかいうのを、ありえないものとして拒否する。不確定性原理は、次の瞬間、そこにある量子の状態を予測出来ないと説く。真空なんてものがあるなら、量子は0という状態を簡単に予測出来てしまう。我々が真空だと定義するような場にも、量子は現れる事がある。常にその可能性は存在している。量子の可能性か必ず広がっている、それはまるで揺らぎだ。この世界の中ならば、どこにでも生じている揺らぎ。fluctuations)』とか呼ぶ人はけっこういる。problem)』ともされる対立の原因は、量子揺らぎのせいだ。量子力学と一般相対性理論の対立。量子揺らぎは真空の存在を許さないが、常識的なスケール(例えば1メートルとか、1センチとかの範囲)では、空間のあちこちに(例え極わずかではあっても)常に存在する量子の存在確率は打ち消しあい、我々からしたら真空といって問題ないような空間範囲も全然ありうる。スケールの小さな領域、つまりスケールの大きな領域にて打ち消し合う個々のひとつだけを切り取ったような領域においは、そうはいかず、量子揺らぎははっきりと現れる。いう時間すら、入り組み、グチャグチャに混じり合う、少なくとも平らなどとは言えないような領域だと考えられている。実は問題とはそんなグチャグチャバラバラな領域である。大した質量のない(一般相対性理論的に)平らな空間があるとする。その空間の一部を、具体的には1センチの1/1000000000くらいの範囲を拡大する。全体として平らなその空間の、その一部も当然平らである。その1/1000000000の1/1000000000を拡大する。その1センチの1/1000000000の1/1000000000のさらに1/1000000000の1/1000000の空間領域を拡大して見た時、我々は、だいたいの想定とは全く違うだろう世界を発見するのである。考え方では平らなはずの領域である。量子力学的な計算の上では、それほどにミクロな領域では、普通は小さすぎて無視できるような量子揺らぎ的なグチャグチャが存在している。これはかなり明らかな、ある事実を示している。一般相対性理論か量子力学の、少なくともどちらかは間違っていて、0.000000000000000000000000000000001センチ以下のスケールでは、そのボロが出てしまうという訳である。混乱から混沌へ十九世紀が残した混乱を解決しようとして生まれた様々なアイデアが、二十世紀の物理学に更なる混乱を生んでしまった。あっても予測不可能な未来。理論上にすら存在出来ない真空。