『ストレンジャー・シングス』、パラレル・ユニバース、そして弦理論の現状

間違いなく夏のヒット作である Netflix の「ストレンジャー・シングス」は、本格的な科学理論を活用した SF ホラー シリーズです。一部の用語は互換的に使用されているかもしれませんが、このシリーズは理論物理学と天体物理学の難解で複雑なテーマに踏み込んでいます。

この SF 作品の背後にある科学を解明しようと、ポピュラーサイエンスはコロンビア大学の物理学と数学の教授である理論物理学者のブライアン・グリーン氏と話す機会を得ました。彼は並行宇宙や別の次元へのアクセスという考えには懐疑的ですが、その可能性を探求することにはオープンで前向きです。以下は、彼との会話です。

ストレンジャー・シングスでは、並行宇宙と異次元という用語が同じ意味で使われています。これらは同じものですか? 違う場合、違いは何ですか?

いいえ、つまり、それらは実際には同じではありません。それらは関連していますが、私たちが認識している次元よりも多くの次元を持つ単一の宇宙が存在する可能性があります。私たちが認識していない 3 次元を超える空間の次元が存在する可能性があると考える理由があります。

さて、宇宙も考えられます。多元宇宙の提案、つまり複数の宇宙の提案もあります。それぞれの宇宙には、空間の 3 つの次元と時間の 1 つの次元しかありません。多くの宇宙があり、それぞれの宇宙には、私たちの素朴な認識で存在すると示唆されるのと同じ数の次元、つまり空間の 3 つの次元と時間の 1 つの次元があります。これらすべてのアイデアをまとめて、空間の余分な次元も存在する多宇宙理論を構築することもできます。つまり、それらは相互に排他的ではありません。

それで、それを念頭に置いて、番組の先生は、この異次元を説明するのに、私たちは綱の上を歩く曲芸師のようなもので、私たちがアクセスできる次元は前後にしか進まない、と例え話をしています。しかし、綱の上にはノミもいて、ロープの下を通り抜けることもできます。これは、異次元が仮定上どのように機能するかを説明するのに良い例えでしょうか?

そうですね、あなたはその点で偏見のある人に尋ねています。なぜなら、「宇宙の構造」を見れば、あなたが説明しているまさにその綱の上に綱渡り師の絵が実際に載っていて、彼が歩きながら避けようとしている小さなノミのようなものが見えるからです。ですから、ええ、それは良い例えです。

まあ、たぶん、彼らはそこでそれを手に入れたのでしょう！それで、その例えから、先生は、私たちがあのノミがアクセスできるものにアクセスするには、時空連続体を切り裂くほどの膨大なエネルギーが必要だと説明を続けます。これは本当ですか？

小さな次元にアクセスするには、大量のエネルギーが必要です。エネルギーが多ければ多いほど、観察できる物体は小さくなります。そのため、私たちは大型ハドロン衝突型加速器のような機械を作り、大量のエネルギーを小さな領域に集中させ、その小さな領域内で、驚くほど小さな距離スケールで宇宙を調査できるようにしているのです。

この番組を書いている人が誰であれ、こうしたアイデアの一般的な説明のいくつかに精通しているということに私は衝撃を受けました。それが私のものかどうかは、あまり重要ではありません。

でも、もし桃の中に何が入っているか知りたくて、桃に小さな弾丸を発射するとしたら、弾丸のエネルギーが大して高くなければ、桃の柔らかい肉厚の部分にしか届かないでしょう。しかし、エネルギーが大きければ、桃の核まで探り、桃の内部構造を実際に見ることができるでしょう。宇宙でも同じです。エネルギーが大きければ大きいほど、より深く探り、物質がどのように組み合わさっているかという微細構造にもっと近づくことができます。

分かりました。これはブレーン宇宙理論に関係していると思います。ブレーン宇宙理論では、2 つの宇宙が何らかの形で密接に接触しているか、互いに近接している必要があります。そうしないと、もう 1 つの宇宙にアクセスできません。では、これら 3 つのブレーンは交差したり重なり合ったりできますか? それとも、あなたが「The Hidden Reality」で説明したように、これらは間違いなく「パンのスライス」が互いに積み重ねられているのでしょうか?

つまり、1 つの構成はパンの塊の記述ですが、そうではありません。これらのオブジェクトと原理は重なり合うことがあり、交差することがあり、重なり合った場合に何が起こるかについて、あらゆる種類の数学的および物理的な意味を解明しました。実際、これらのアイデアの最も洗練されたバージョンのいくつかは、3 次元ではなく、3 次元の部分空間で重なり合うより高次元のブレーンのさらに次元のブレーンが存在することを想定しており、その重なり合う領域が実際に私たちが現実として経験するものかもしれません。つまり、私たちの 3 次元の現実は、あなたが質問している方法で交差する高次元のブレーンから生じている可能性があります。

また、多くの現実が存在し、それらすべてが起こっていると信じている人もいます。あなたはそれを量子多元宇宙と呼び、一般的には多世界解釈とも呼ばれています。では、これらの宇宙は正確にはどこにあるのでしょうか?

宇宙はヒルベルト空間と呼ばれる数学的空間に存在しています。これは量子力学の確率波が自然に生息する数学的領域です。量子力学の数学が 1920 年代から 1930 年代にかけて発展したとき、確率波が数学的に具現化される自然な場所である数学的なアイデア、構成、概念が存在することが最終的に認識されました。

しかし、私たちのほとんどはヒルベルト空間という観点から考えず、「では、それはどこにあるのでしょうか? 他の世界を指し示してください」と言いたいのですが、これは難しいことです。なぜなら、量子力学の他の世界は、私たちが通常考えるような空間には存在しないからです。それらは別の世界、この場所の別のバージョンであり、いかなる時空間的な意味でも重なることはありません。すべての量子世界が存在する高次元の幾何学があるわけではありません。代わりに、これらの世界のそれぞれは、より抽象的な数学的状態に存在する数学的実体であり、私たちは皆、そのより抽象的な数学的空間の住人です。

ご覧のとおり、私が皆さんに説明しようと手探りしているように、それは従来の言語に挑戦し、その領域を見つけ出します。なぜなら、従来の言語にはヒルベルト空間のバージョンが存在しないからです。しかし、それが何が起こっているかを説明する数学なのです。

分かりました。では、もう少し具体的な宇宙についてお聞かせください。あなたの最新の著書では、弦理論とデータを結び付ける可能性があるとあなたが言う 6 つの異なる実験と観測について触れていますが、そのうちの 1 つが重力波です。今年初め、ついに重力波が検出されたというニュースが流れましたが、これはこれらすべての多元宇宙理論にとって何を意味するのでしょうか。どのような実験が可能になったのでしょうか。

重力波の発見は、原理的には、宇宙構造のさざ波をエキゾチックな理論を調査するための診断ツールとして使用できることを証明しています。そして、私が本で説明している弦理論に関連する可能性のあるアプローチの 1 つは、弦理論が正しい場合、宇宙の膨張に伴って弦理論の小さな弦が引き伸ばされる可能性があるというものです。それは宇宙で激しく振動し、観測可能な宇宙で 1 本の孤立した弦である可能性があります。そして、ご存知のように、サーカスのように、星が鞭打つように、その弦のような実体が激しく振動すると、パチパチという音、つまり弦理論の激しい弦が別の種類のパチパチという音を発しますが、それは聴覚的な音ではなく、重力波の音であり、宇宙構造のさざ波です。

宇宙に激しく振動する弦がある場合、どのような波形が受信されるか計算した人もいます。これは、9 月に発見されたブラックホールの衝突で得られる波形とは異なります。ですから、当然、人々はそうした波形を探すことになります。もしそれが発見されれば、それは大きな出来事となるでしょう。

彼らはそれらの形を見つけようとしていると思いますか?

そうですね、彼らはそれらを見つけるか排除するかのどちらかに向かっていると私は信じています。もちろん、まだ行われていない実験や観察の結果を予測することはできませんが、検出器の感度が、もしそれらが存在するなら、それらの波紋が見えるレベルに達しつつあることはわかっています。そして、もしそれらが見えなければ、それらはそこに存在しないということになります。

前回の本を執筆していたとき、実験はどのような方向に向かっていると考えていましたか? また、実際の結果はどうでしたか?

ええ、ご存知のとおり、重力波に関しては、2011 年に私が期待していた通りの展開が見られ、非常にエキサイティングな軌道を描いています。私たちはついに初めて重力波を検出し、現在、人々は重力波を新しいツール、新しい観測ツールとして利用しようとしています。ですから、この物語はまさに予想通りの軌道を描いています。ご存知のとおり、2012 年に大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) は、エキゾチックな理論の別の可能性を探る探査機として、素晴らしいヒッグス粒子を発見しました。

次に起こると期待していたのは、弦理論に関連するもっと珍しい粒子の発見でした。そして、3週間前の時点で、そのような粒子が発見されたという噂がありました。しかし、科学の素晴らしさは、信じられないほど厳密で自己修正的であることです。初期の噂に関わった実験者たちは、データはまだ発見を主張するには十分ではないと非常に慎重でした。そして実際、彼らがデータを詳しく調べていくと、その粒子に関連する隆起はより洗練されたデータに消えていきました。それが探究の本質です。ですから、私たちは探究を続けていきます。おそらく、数か月後、数年後には新しい粒子が現れるでしょうが、もちろん、誰にもわかりません。

このインタビューは長さの都合上、編集され、短縮されています。アクロバットの比喩についてのコメントを Netflix に求めており、返答があれば更新します。