一般相対性理論：100年経っても驚きは尽きない

1913 年、アルベルト アインシュタインは一般相対性理論の構築に行き詰まっていました。彼は友人のマルセル グロスマンに数学的な助けを懇願しました。「グロスマン、助けてくれ。でないと気が狂ってしまうよ!」 4 年後、アインシュタインが (ようやく) 完成した理論の宇宙的影響に関する論文を仕上げていたとき、病気は体の他の部分に移動していました。胃潰瘍と肝臓病を患っていました。頭を酷使して疲れ果てたアインシュタインは、死にかけていると思いました。彼は同僚の物理学者アーノルド ゾンマーフェルトに次のように書いています。「最後の 1 か月は、人生で最も刺激的で疲れ果てた時期の 1 つでしたが、実際、最も成功した時期の 1 つでもありました。」

当時も、そして今でも、その感覚は同僚のほとんどには理解できない。彼らはアインシュタインの最大の洞察を研究しながらも、彼がそれをどのように成し遂げたのか、あるいはそれが彼にとって何を意味したのかを完全には理解していない。コロンビア大学の理論物理学者ブライアン・グリーンの言葉を借りれば、彼らは通常「相対性を骨の髄まで感じない」のだ。その理解不足は、一般相対性理論が何であるかについての根深い誤解から来ており、キャリアを通じてそれを利用してきた人々の間でさえ誤解されている。それは広く重力の理論として説明されているが、単なる理論ではない。物体がどのように動くかを説明する一連の方程式として書かれているが、単なる方程式ではない。

一般相対性理論は、文字通りにも比喩的にも、風景として考えるのがいちばん適切です。それは、空間と時間のあらゆる可能な構成、および物質の存在下でそれらが変化するあらゆる方法を説明する概念の広がりです。それは、現実のあらゆる部分が結びついているシステムです。アインシュタインがその風景に初めて踏み込んだとき、彼は非常に興奮し、また疲れ果てました。他の研究者がなんとか彼の先導に追随するたびに、まったく新しい領域を発見します。だからこそ、一般相対性理論は、最初に発表されてから 1 世紀が経った今でも、これまでで最も驚くべき発見をもたらしているのです。

II.

風景としての相対性理論の考え方を理解するには、最大の風景である宇宙を見るのが一番です。アインシュタインは、空間は固定された背景（動きを測る基準となる目に見えない物差しのようなもの）ではなく、質量に応じて曲がったり歪んだりする柔軟で動的なものであることに気づきました。その曲がりが、私たちが重力として経験するものです。重力によって、私たちの両足は地面に、地球は軌道上に留まります。オンタリオ州ウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論家で、アインシュタインの最も熱心な信奉者の一人であるリー・スモーリンは、すべての質量によって決まるすべての空間を単一の統一された形で記述できる一般相対性理論の能力を称賛しています。「これは、閉じたシステムとして宇宙全体に適用できる最初の理論です」と彼は言います。

「これは、閉じたシステム内の宇宙全体に適用できる最初の理論です。」

宇宙は膨張していると科学者が言うのを聞いたことがあるでしょうが、それは実際どういう意味でしょうか? 1929 年、エドウィン ハッブルは、銀河が私たちの銀河からあらゆる方向に遠ざかっているように見えることを観測しました。これらの銀河が、最初の巨大な爆発によって押しのけられ、宇宙を飛び回っている様子を想像したくなります。実際、1930 年代に、英国の天文学者 E.A. ミルンは、ハッブルの発見をまさにその言葉で説明しようとしました。彼の分析は惨めな失敗に終わりました。アインシュタインは、天文学的観測を理解する唯一の方法は、宇宙を動的なものとして考えることだと示しました。銀河が宇宙を飛んでいるのではなく、銀河の間で空間自体が膨張しているのです。

それは非常に奇妙な概念ですが、いったんそれを受け入れると、他のさまざまな考えが納得できるようになります。まず第一に、ビッグバンがあります。これは宇宙の爆発ではなく、空間の爆発でした。ビッグバンの瞬間、すべての空間は 1 つの点に詰め込まれ、それ以降の 137 億年の間にすべての空間はそこから拡大しました。空間はあらゆる方向に拡大しているため、どの場所も宇宙の中心と見なすことができます。あなたは、まさに今、そこにいて、宇宙の中心です。(これで自尊心が高まりますか?) 相対性理論により、宇宙学者は元素の起源、銀河の形成、ビッグバンから現代の地球までの直接的な進化の道筋をモデル化できました。

そして彼らは、相対性理論の新たな一角を今も探究し続けている。空間は動的であるため、あらゆる複雑な変形が可能である。重力の引力は空間を圧縮する働きがあり、その圧縮が、あなたが自分の重さとして感じるものである。アインシュタインの方程式は、反重力、つまり空間を押し広げるエネルギーも考慮している。何十年もの間、その可能性は単なる理論上の好奇心に過ぎないと考えられていた。その後 1998 年、2 つの天文学者チームが宇宙の膨張が加速していることを観測した。これは相対性理論の観点からのみ意味をなす。加速を推進する反重力要素は現在「ダーク エネルギー」と呼ばれ、広く受け入れられているため、その発見に対して 2011 年のノーベル物理学賞が授与された。

しかし、ダークエネルギーの本当の性質は謎のままである。それを解明するために、国際天文学者チームがダークエネルギー調査を開始し、現在チリのセロトロロ米州天文台で進行中である。5年間にわたって、彼らは3億個の銀河を撮影し、その分布を記録する予定である。重力は時間の経過とともに銀河を密集させる傾向があるが、ダークエネルギーは銀河を分散させる傾向がある。調査で捉えられたパターンは、ダークエネルギーがすべての場所で同じように機能するかどうか、そしてその強度が宇宙の歴史の中で変化したかどうかを明らかにし始めるだろう。ダークエネルギーは目に見えるすべての銀河の約15倍の重さがあり、そのためその影響は宇宙の運命を決定する可能性がある。

あなたは今、まさに宇宙の中心にいるのです。自尊心が高まりませんか？

空間が膨張するのと同じように、池の水面が跳ねる石でかき回されるように、動く物体の重力によって空間が乱されると波立つことがある。これは、科学者が今ようやく探求し始めた相対性理論のもう一つの荒野である。重力波が光速で地球を通り過ぎると、遭遇するすべてのものを微妙に押しつぶしたり引き伸ばしたりしますが、これにはあなたも含まれます。その影響は極めて微妙です。研究者たちはこれらの波を識別するために、ワシントン州とルイジアナ州にそれぞれ1つずつある長さ2.5マイルの検出器、レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）と、イタリアにある補完的な実験装置Virgoをアップグレードしている。彼らは、10年の終わりまでには、ブラックホールの衝突など、壮大だが通常は目に見えない宇宙の出来事から発せられる重力信号を観測したいと考えている。

ああ、そう、ブラックホール。アインシュタインの方程式の地形から現れた奇妙な特徴の中で、おそらく最も有名なものでしょう。ブラックホールは、空間が内側に曲がっている場所です。相対性理論の地形がこれほど複雑で興味深い場所は他にありません。事象の地平線、つまりホールの境界では、時間が止まり、量子力学で説明される原子レベルの現象が都市の大きさにまで引き伸ばされます…少なくともそう見えるのです。一般相対性理論では、宇宙のすべての部分が連続しているはずであり、つまりブラックホールの内側と外側の間に物理的な中断があってはならないとも述べられています。この一見矛盾する事実は、物理学の法則に関する科学者の現在の理解を超える、次々と新しい理論を生み出しています。

ブラックホールの複雑なケースでも、相対性理論のあり得ないほど遠い辺境に存在するように見える概念は、厳密な観測によって近づくことができるかもしれない。世界中に点在する 9 つの電波観測所で構成される、地球規模の観測装置「イベント ホライズン テレスコープ」は、現在、銀河の中心にある超大質量ブラックホールの直接画像を作成するために情報を収集している。ブラックホール自体は何の姿にも見えない (黒い) が、その大きさと周囲の構造を測定することで、質量が空間の構造を歪める仕組みが明らかになる可能性がある。アインシュタインの予想からの逸脱は、まったく新しい物理学の概念への道を示すことになるだろう。イベント ホライズン テレスコープからの最初の意味のある画像は、まもなく、おそらく 10 年以内に得られるかもしれない。

III.

膨張宇宙、重力波、ブラックホールに関するこれらのアイデアは、相対性理論の奥深くに隠されていたため、発展に非常に長い時間がかかりました。アインシュタイン自身は最初の 2 つを受け入れるのに時間がかかり、ブラックホールと和解することはなく、その存在の議論は「説得力がない」と鼻で笑い、自然のプロセスがブラックホールの形成を阻止していると想定しました。有名な物理学者ジョージ・ガモフを含む多くの作家は、これらのアイデアに対するアインシュタインの抵抗を「失策」、つまり彼の偉大な精神が軌道から外れたところとして説明しています。実際には、アインシュタインは広大な世界を開拓したため、それを探求するには彼自身でさえ一生を費やすよりもはるかに長い時間がかかりました。

現代の物理学者たちは、アインシュタインが到達した範囲をはるかに超えて研究を進めているが、一般相対性理論は最終的な結論ではないというのが彼らの共通の仮定である。相対性理論は、重力やブラックホールのような極端な物体の記述において、原子スケールの世界を記述する一連の規則である量子力学と衝突する。選択を迫られた今日の理論家のほとんどは、現実のより基本的な記述として量子力学を選び、相対性理論を小規模な量子効果から構築された大規模現象とみなしている。物理学者たちは、ボトムアップで非常にうまくやってきた（光を光子の集まりとして解釈したり、物質を原子のクラスターとして考えたりする）が、1 世紀にわたる経験は、アインシュタインのトップダウンの視点の力を過小評価するのは賢明ではないことを示している。リー・スモーリンが言うように、量子力学は「サブシステム」の理論であり、つまり、相対性理論の本来の宇宙的範囲とは対照的に、周囲の状況の中でのみ意味をなす。

アインシュタインの全体論的アプローチは、説明と探究の可能性において一般相対性理論をユニークなものにしている。将来、彼よりもさらに現実に踏み込む物理学者が必ず現れるだろう。量子論のツールや技術の多くを採用するかもしれない。しかし、真の悟りを得たいなら、そうした天才たちもアインシュタインのように行動し、方程式から一歩引いて広い視野を持たなければならないだろう。相対性理論を骨身に染みて感じなければならないのだ。

この記事はもともと、2015 年 11 月号の『Popular Science』に「アルバート・アインシュタイン、ランドスケープ アーキテクト」というタイトルで掲載されました。