ワープスピードは可能か？弦理論家に聞く

科学オタク、トレッカー、アクション映画ファンは、スター・トレックシリーズの最新作を消化するのに数日を要した。PopSciは、この映画の最も不可解な疑問のいくつか (ウィノナ・ライダーがバルカンで何をしていたかは別として) に答えようとした。ブラックホールを通ってタイムトラベルできるのか? 「レッド マター」と呼ばれるものを使ってブラックホールに種をまくことはできるのか? テレポーテーションはどうか? スコッティ (またはチェコフ) という名前の人物が誰かをビームアップすることはあるか?

これらの不可能に思える概念をより深く理解するために、 PopSci は弦理論の共同考案者であり、教授、作家、そしてもちろんスタートレックのファンでもあるミチオ・カク氏に話を聞いた。カク氏の最新のベストセラー『 Physics of the Impossible』には、フェイザー、力場、タイムトラベルなど、スタートレックの伝説に捧げられた章が丸々ある。同名のテレビ番組が、サイエンスチャンネルで今秋に初放送される。

カク氏によると、SF には先見の明があることが多い。例えば、科学者が将来、ナノバッテリーやナノコンデンサーで動くレーザー銃 (またはフェイザー銃) を開発する日が来ると彼は考えている。また、ワープ速度で移動することも可能だとカク氏は考えている。

これはまったく突飛な話ではない。フィクションが現実の発見を生む例は数多くある。たとえば、ジュール・ヴェルヌの『海底二万里』はアメリカ人サイモン・レイクに潜水艦の発明を思いつかせた。HGウェルズの1914年の著書『自由になった世界』では、 1933年に科学者が原子爆弾の秘密を解き明かす。ハンガリーの物理学者レオ・シラードは1932年にその本を読み、その発見を目標とした。1933年、彼は連鎖反応のプロセスを解明した。そして米国が最初の再利用可能な宇宙船を作ったとき、私たちはその試作機をエンタープライズ号と名付けた。

これから先、ネタバレが少しありますので、予めご了承ください。

PopSci:番組でおなじみの、そしてあなたの本でも取り上げられている概念についてお話ししましょう。たとえばテレポーテーションなどです。映画には、カークとスールーがパラシュートなしで落下し、ビームで引き上げなければならないシーンがあります。チェコフは手動で引き上げなければならないと決めます。「新スタートレック」には「ハイゼンベルク補償装置」がありましたが、映画ではハイゼンベルクの不確定性原理（粒子の位置を正確に特定すればするほど、その運動量について知ることは少なくなる）については触れられていません。原子のテレポーテーションに成功したことは知っていますが、人間をテレポーテーションできるようになる日は来るのでしょうか？

ミチオ・カク：量子テレポーテーションはすでに存在しています。過去 10 年間、私たちは光子だけでなく、セシウム、ルビジウム、テルビウムの原子もテレポーテーションしてきました。世界記録はドナウ川を越えた 1,800 フィートです。分子のテレポーテーションもすぐにできるようになると思います。今後数十年で DNA やウイルスさえもテレポーテーションできるようになったとしても驚きません。しかし、それ以上になると非常に難しくなります。2 つの原子を絡ませて、それらが同時に振動する必要がありますが、これは分子レベルを超えると非常に困難です。しかし、スタートレックは23 世紀が舞台なので、その頃には 100 兆個の細胞、つまり人体の細胞数とほぼ同じ数をテレポーテーションできるかもしれません。

エンタングルメントのプロセスでは、テレポートする最初の物質は破壊されたり、何らかの形で変化したりするのでしょうか? 人間にはどのようなことが起こるのでしょうか?

カーボンコピーがあなたを待っていなければなりません。惑星の表面にビーム送信することはできません。そして、情報を別の場所にビーム送信すると、オリジナルの情報内容は破壊されます。オリジナルを破壊して、別の場所で再構築しているのです。さて、あなたは疑問を持ち始めます。あそこにいるこのコピーは誰なのか？すべての原子と細胞は破壊され、あなたは死んでしまいます。しかし、あそこに、原子から原子まであなたとまったく同じ誰かが現れたのです。さて、あなたは誰なのか？という疑問が生じます。あなたはあなたの体とすべてのニューロンなのでしょうか、それとも、部屋を越えて伝達できる情報にすぎないのでしょうか？魂は存在するのでしょうか？さまざまな疑問が生じます。

この映画ではブラックホールが頻繁に登場します。未来のスポック、あるいは老年のスポックは、超新星爆発で吹き飛ばされた惑星を救えなかった後、ブラックホールを通り抜け、130年前の過去へとたどり着きます。出来事の変化によって、私たちが知っているエンタープライズ号の乗組員の歴史の流れが変わります (これは続編に役に立ちます)。しかし、物理学の私の理解では、ブラックホールを通り抜けて戻ってくることは、少なくとも無傷では不可能なのでしょうか?

はい、そしていいえ。この質問については議論があります。もし回転するブラックホールがあるとしたら、そして私たちが宇宙で見てきたブラックホールはすべて非常に高速で回転しています、数学的にはそれらは点ではなくリングに崩壊するとされています。リングを通り抜けると、平行宇宙に行き着きます。この解決策は1963年にロイ・カーによって初めて発見され、回転するブラックホールの最も現実的な説明です。これによって非常に多くの疑問が生じます。リングを通り抜けられるとしたら、もう一方の宇宙がどこにあるのか誰にもわかりません。それは時間を遡ったものかもしれませんし、平行宇宙かもしれません。しかし、放射線などの問題があります。放射線は非常に強力でしょう。そして放射線を加えると、物理学者の間で今議論されています。それはワームホールを閉じるのか、安定するのか？数学的には、回転するブラックホールの真ん中にワームホールがあると言われています。通り抜けられるように穴を開いたままにするには、ブラックホールを安定させる負の物質が必要です。これらは横断可能なワームホールと呼ばれます。あまり影響を受けずに自由に行き来できます。

負の物質とは反物質、あるいは何か他のものを意味しますか?

負の物質とは、負の質量を意味します。それは上に落ちますが、下に落ちることはありません。スタートレックでは、これをダイリチウム結晶と呼んでいます。これは、空間と時間を通るゲートウェイを開きます。私たち物理学者は、これをダイリチウム結晶とは呼ばず、負の物質と呼んでいます。しかし、負の物質を見た人は誰もいません。

映画にはブラックホールに関する別の問題がありました。登場人物が「赤い物質」を使ってブラックホールを作り出すのです。ブラックホールを「植える」、つまりゼロからブラックホールを作り出すことに理論的根拠はあるのでしょうか？

まあ、どんなものでも十分に圧縮すればブラックホールになることができます。太陽を2マイルまで圧縮するとブラックホールになります。太陽を2マイルまで圧縮することはできないので、それは起こりません。地球をブラックホールに崩壊させるには、2センチメートルまで圧縮する必要があります。つまり、どんな物体でもブラックホールになることができます。十分に小さいサイズまで圧縮すればいいのです。しかし、私たちが知っている唯一のメカニズムは重力です。

映画では、ロミュラン人がバルカン星の中心核に赤色物質を注入し、特異点が作られてブラックホールが生まれ、惑星の全質量がブラックホールになる。このことから、大型ハドロン衝突型加速器と、昨年夏に地球を飲み込むミニブラックホールに関する懸念が浮かんだ。

ああ、宇宙線は大型ハドロン衝突型加速器よりも多くのエネルギーを発します。宇宙線の持つ莫大なエネルギーに比べれば、それは豆鉄砲に過ぎません。地球は数十億年の間、LHC が作り出すものよりはるかに強力な宇宙線に浸かってきました。LHC が何か、ミニ ブラック ホールなどを作り出すとは思いません。自然の基準からすると、それは取るに足らないものです。

バルカンがブラックホールに飲み込まれるとき、スポックは地球と月の距離くらいの距離から見守っています。その距離は安全に見られる距離ですか?

事象の地平線の外側にいて、ブラックホールの周りを回っている場合、完全に安全です。多くの人がいつも私に尋ねます。天の川の真ん中にブラックホールがあるのに、なぜ私たちは吸い込まれないのですか? 答えは非常に簡単です。私たちはその周りを回っているからです。私たちは事象の地平線の外側にいるので、事象の地平線から安全な距離にいる限り、非常に安定しています。

ブラックホールに入り、何らかの形で安定化されたワームホールを通り抜けると、潮汐力によってスパゲッティ化されてしまうのではないですか?

大きなブラックホールには潮汐力がほとんどありません。潮汐力は、ブラックホールが大きくなるにつれて小さくなります。大きなブラックホールほど潮汐力は小さくなります。これは常識に反しますが、方程式が示しているのは、ブラックホールが大きいほど潮汐力は小さくなるということです。小さなブラックホールは危険です。重力場が非常に強く、ブラックホールを通り抜けると引き裂かれてしまうからです。

エンタープライズ号がワープ速度で航行することは誰もが知っています。「ワープ係数 4」で航行できるようになる日が来るのでしょうか?

物理学者らはかつてスタートレックのワープ係数を見て笑ったものだが、今はもう笑わない。約10年前、メキシコの相対論者ミゲル・アルクビエレがスタートレックを見ながら、アインシュタインの[一般相対性]方程式の新しい解を思いついた。その抜け穴は負の物質で、アインシュタインはそれを考慮したことがなかった。そしてアルクビエレはワープドライブに非常によく似た解を導き出した。鍵となるのは、人が星に行くのではなく、星があなたのところにやってくるということだ。誰もが、星に行かなければならないと想定している。それはつまり、光の壁を破り、物理法則に違反しなければならないということだ。しかし、アコーディオンのように空間を圧縮することはできる。つまり、あなたと星の間の空間を圧縮するのだ。それは宇宙のしわのようだ。もちろん、これには異論もある。例えば、負の物質は存在しない。しかし原理的には、たとえば負の物質でできた隕石があれば、それは可能かもしれない。アインシュタインは、光より速く動くものは何もないとは言っていません。空の空間は、光より速く収縮したり膨張したりすることができます。それがビッグバンです。膨張したのは空虚です。これは、映画で描かれるワープドライブと非常によく似ています。星の光が歪んで見え、星が非常に速く近づいてきますが、心の中では何も感じません。

武器についてはどうでしょうか? 宇宙ホルスターに収まるほど小さい光線銃やフェイザー銃を開発することは可能でしょうか?

原子力発電所で動く非常に強力なレーザー光線銃はすでに存在します。しかし銃撃戦では、肩に原子力発電所を担ぎたくはありません。ジェットパックや光線銃の問題は、常にポータブル電源パックにあります。電池を使えばいいと言う人もいますが、いいえ、そのような電池は存在しません。そのため、ジェットパックは数分しか持ちません。映画で見るものの多くが今日では実現できないのもそのためです。ナノテクノロジーを使えば、強力な電池を作ることができると私は信じています。ガソリンと同じです。1ポンド当たりで比較すると、ガソリンは電池よりもエネルギーが多いのです。なぜでしょう? ガソリンは太陽光を集中させたものです。恐竜時代から太陽光を集中させたもので、分子レベルで集中しています。電池では、ガソリンは液体です。分子レベルでエネルギーを蓄えているわけではありません。しかし、ナノ電池を作れない理由はありません。コンデンサーを考えてみましょう。これは電荷を蓄える2つの平行板に他なりません。コンデンサーには膨大な量の電荷を蓄えることができます。将来的にはナノプレートを作り、そこに膨大な量のエネルギーを蓄えることができるようになるかもしれません。そうなれば、レーザー銃も実現可能になるかもしれません。

スタートレックは、ジュール・ヴェルヌやHGウェルズのように、人々にこれらのことを理解するきっかけを与えると思いますか?

これらは技術的な問題です。23 世紀までには、これらの問題の多くが解決されると思います。映画で見るほとんどの現象を阻止する物理法則はありません。これは単なる工学上の問題です。

私たち物理学者は認めたくないのですが、私たちの中には隠れ SF ファンがいます。それは不名誉なことのように聞こえるので認めたくありません。しかし、私たちの多くは、子供の頃に科学に興味を持ちました。私は子供の頃、フラッシュ ゴードンを見ていました。やがて、自分には筋肉が発達していないし、髪も長くないのに、このシリーズ全体を成功させたのは科学者たちだと気づきました。私はそれに魅了されました。考えるだけで宇宙船や空に都市を作れる男がいたのです。

つまり、これらは不可能な技術ですが、今日では不可能であり、将来的には可能になるかもしれません。