NASAの天文学者であるミシェル・サラーが、天文学者の日常的な業務から、宇宙の成り立ち、時間と空間の真の性質に至るまで、現代物理学が直面する壮大な謎について幅広く解説するインタビュー動画である。連星や中性子星の驚異的なエネルギー、太陽風がもたらす宇宙天気、ビッグバン以前の宇宙の姿、そして宇宙がホログラフィックな情報構造である可能性など、人間の直感や常識を覆す宇宙の真実を詳細に掘り下げている。人間の知覚の限界を謙虚に認めつつ、科学的探求がいかに私たちの存在そのものに対する理解を深めているかを紐解いている。
天文学者と天体物理学者の違い
私はミシェル・サラー、天文学者です。NASAのゴダード宇宙飛行センターで働いています。天文学者がどのようにして宇宙の最大の謎に答えようとしているのかをお話ししましょう。
世の中には、天文学者と天体物理学者という2つの言葉が飛び交っていますよね。親しみやすい雰囲気を出したいか、それともフォーマルな印象を与えたいかによって使い分けているようなところがあります。現在では、この2つは実質的に同じ意味を持っていると思います。
かつては役割が明確に分かれていた時代もありました。たとえば100年前なら、星の地図を作り、素晴らしい星のカタログを作成する人々がいて、彼らを天文学者と呼んでいたでしょう。天文学（astronomy）という名前が、星に名前を付けることに由来しているのはご存知の通りです。
一方で、星が一体何なのか、どのような仕組みで動いているのか、その背後にある科学を解明しようとする人々がいました。それが天体物理学者です。しかし現在では、これら2つの研究は本当に同じものになっています。天文学者であれ天体物理学者であれ、今ではほとんど同じことをしているんですよ。
星を研究する上で一番ぴったりだったはずの占星術（astrology）という言葉は、すでに別の意味で使われてしまっていましたからね。
天文学者の日常と研究生活
私が一般の方々からよく受ける質問の多くは、マルチバース（多元宇宙）は存在するのか、ビッグバンの前には何があったのかといった、非常に壮大で推測に満ちたものです。でも、私が博士課程の研究で扱ったのは連星、つまり互いの周りを回る2つの星の研究でした。ちなみに、宇宙にあるほとんどの星はそのような連星なんですよ。
私が研究していた星々の場合は、高エネルギー粒子の強力な星風が衝突し合い、宇宙空間に巨大な衝撃波を生み出していました。面白いことに、少なくとも一時期は、そしておそらく今でも、世界中の誰よりも私が長い時間を共に過ごした星が空にいくつかあるんです。これらの衝突する大気がどのように機能しているのかを解明しようと、何時間も何時間も観察し続けました。
私自身は観測天文学者です。研究活動が最も盛んだった約25年前には、世界中の天文台に足を運びました。オーストラリアやアリゾナ州のキットピーク天文台、ストロムロ山などで多くの研究を行いました。また、衛星データもよく利用しました。X線観測衛星やハッブル宇宙望遠鏡のデータですね。
実はハッブル宇宙望遠鏡の観測時間を少しもらったこともあるんです。天文学者になると、こうした天文台に観測時間を申し込むことができます。通常は年に1回行われ、世界中の人々がハッブル宇宙望遠鏡で何をしたいのかを評価する委員会があります。この天文学者の委員会が、誰に優先権を与えるかを決定するのです。
天文学者になって気づくことの一つは、文章を書く仕事が非常に多いということです。望遠鏡の観測時間を確保するための提案書を書き、それが選ばれることを祈る日々です。さらに、自分の研究を支援するための助成金を獲得する申請書にも多くの時間を割くことになります。
もしハッブル宇宙望遠鏡の観測時間をもらえたら、通常はその研究を行う時間をサポートするための資金も一緒に提供されます。ですから、天文学者になるための訓練は数学や物理学、コンピューターサイエンスばかりですが、実際に日々の業務で行うのは、提案書や助成金の書類をまとめたり、科学研究を続けるための資金調達の方法を考えたりといった執筆作業が多いんです。
そしてNASAのような大きな組織で働いていると、大抵は特定のミッションに時間が割り当てられます。たとえば特定の宇宙望遠鏡のプロジェクトで、データの整理を手伝ったり、観測提案の募集方法を考えたり、さまざまな提案を審査する委員会を組織したりします。ある意味で、管理職のようになるわけです。
会議も本当に多いですね。天文学者の通常のライフサイクルは、おそらく80%がビジネスパーソンのようなものだと思います。たくさんの会議、たくさんの助成金申請、たくさんの予算管理といった具合です。
宇宙とコラボレーションする喜び
それでも、少なくとも私には特別な時間がありました。ベテランの天文学者になるとあまり経験できなくなりますが、まだ若くて現場に出て自分自身の発見をしている時は、あの山の頂上で夜空と自分だけが取り残されたような感覚になります。そして望遠鏡を通して降りてくるデータを見て、これがほんの小さな進歩だとしても、他の誰も見たことのないものを自分が見ているのだと実感するのです。
それは、宇宙とコラボレーションしながら私たちが何を解明できるのかを試しているような、素晴らしい高揚感です。
博士号を取得する際には、何かオリジナルの研究、これまで誰もやったことのないような研究成果を出す必要があります。そう聞くととてもハードルが高く感じられますよね。誰も思いつかなかったアイデアをどうやって考え出せばいいのかと不安になるかもしれません。でも、天文学において一人きりで何かが起こることはありません。
大学を卒業して大学院生になると、教授の研究に弟子のような形で参加することになります。そして研究に慣れてくると、教授からその研究の小さな一部分を任されるようになります。これを君が担当してみなさい、という具合ですね。最初から頭の中だけで完全に新しいことを考え出したり、無から素晴らしいアイデアを生み出したりする必要はないんです。
天文学者のグループと一緒に少しずつ働き始め、徐々に自分自身の疑問を持ち始めます。たとえば、彼らが望遠鏡を使って調べる時間がなかった小さな部分があったり、ここにあるこの小さな現象が誰も考えつかなかった新しい疑問になったりします。そうして最終的に、自分がやっていることがこれまで誰もやってこなかったオリジナルな研究なのだと気づくのです。
連星と強力な恒星風の衝突
空にはおそらく十数個の対象となる星がありましたが、私が本当に焦点を当てたのは3つの星でした。どれも連星で、非常に質量の大きな星でした。太陽の質量の15倍から50倍もあるような、とても巨大な星です。
これらの星は、わずか数日、長くても1週間程度で互いの周りを公転していました。つまり、非常に大きな星が非常に近い軌道を回っているわけです。当然ながら、これらの星からは光だけでなく、高エネルギーの粒子が大量に放出されています。これを恒星風と呼びます。そして、その恒星風が2つの星の間で激しく衝突するのです。
時として、一方の星の風がもう一方ほど強くないことがあります。すると、一方の風がもう一方を追い越し、吹き飛ばすような形になります。それらが互いの周りを回るにつれて、その衝撃波が周囲をぐるりと回っていく素晴らしい立体的な様子を観察することができます。
そこで私はトモグラフィーと呼ばれる技術を使いました。これは、人体の内部を立体的にスキャンするCTスキャンやMRIなどと同じような原理です。医療現場では機械が人間の周りを回りますが、星の場合は星自身が互いの周りを回ってくれます。そして、主に医療用に開発されたソフトウェアを使って、これらの衝撃波の構造を解明しようとしました。
これは日常的な天文学の仕事であって、信じられないほど華やかでセクシーなものではありませんが、星をより深く理解するのに役立ちます。実は、この衝撃波が宇宙で見つかる多くの分子を作り出す役割を果たしていることが分かっています。星は原子を作りますよね。水素をヘリウムに融合させ、やがてヘリウムをより大きな原子に変えていきます。
しかし、これらの衝撃波は、少なくともその温度が低い部分では水のような分子を作り出すことができるんです。オリオン大星雲などにある連星の中には、この衝撃波に沿って1日に地球の海を60回も満たせるほどの水を生成しているものもあります。もちろん、これは液体の水ではなく、かなり高温のガス状の分子としての水ですが。
生命の源となる分子の多くは、こうした衝撃波から生まれる可能性があるのです。このようにして、宇宙が本当にどのように機能しているのか、星がどのように機能しているのかを少しずつ解き明かしていくのです。
科学における「真実」とは何か
私の研究はより観測的で、星に関するものが中心です。もちろん、宇宙全体を研究する宇宙論の授業も受けました。大学院レベルの量子力学や電磁気学なども一通り学びました。
よく人々は開口一番に、平行宇宙は存在しますか、といった質問をしてきます。私としては、連星の重要性について聞いてほしいところなんですが。理論的な宇宙論を専門にしている天文学者は、実際のところ数としてはそれほど多くありません。私たちの多くは、星がどのように生まれ、どのように一生を過ごし、そして死んでいくのかといったことを解明しようとしています。
星が爆発した後に残るブラックホールや中性子星の謎を探ったり、銀河がどのように機能し、いくつ存在し、どう観測し、時間とともにどう変化していくのかを調べているのです。ビッグバンの前には何があったのかとか、マルチバースは存在するのかといった疑問に答えようとしている人はごくわずかです。
もちろん、私たちもある程度はそういった分野も勉強しますし、学会の講演にも参加します。私も量子論や量子重力の講演に行くのは大好きです。ただ、ほとんどの天文学者は、たとえ非常に遠く離れていても、もっと具体的な対象を研究しています。
ですから、こんなことがよく起こります。私がカッシーニのような探査機から送られてきた土星の素晴らしい最新画像について講演しているとします。その美しさや大気について学んだこと、環の中に浮かぶ小さな衛星の写真を見せながら、環のシステムについて語り合う素晴らしい講演です。そして聴衆に向かって何か質問はありますかと尋ねると、誰かが手を挙げて最初の質問がこれです。
複数の宇宙は存在するのでしょうか。
いやいや、今は土星の話なんですが、と思ってしまいます。科学の世界では簡単に使われている言葉でも、深く掘り下げると非常に複雑で面白い意味を持つものがあります。よく、あなたは何々が真実だと信じますか、と聞かれることがあります。ビッグバンは真実だと信じますか。複数の宇宙というアイデアは真実だと思いますか、といった具合です。
科学者であれば、自分たちがやっていることは常に現実に近づこうとする試みであると自覚しています。何かを非常によく説明できるように少しずつ近づいてはいるものの、まだ完全にそこに到達しているわけではないことを知っています。もしかすると、永遠に到達できない可能性も十分にあります。限られた感覚や限られた脳しか持たない人間には、現実の真の姿を知ることはできないのかもしれません。
素晴らしいのは、真実というものは変わり得るということです。100年前、人々は宇宙が膨張していないと確信していましたが、もちろん私たちはそれが膨張していることを発見しました。時には、自分たちが大切にしてきた宇宙のモデルや現実の姿、さらには真実の定義でさえも手放す柔軟性が必要です。より良い情報がもたらされた時には、変わる準備ができていなければならないのです。
重力と時空の歪み
少なくとも過去100年間の物理学は、人間の常識という考え方、つまり空間や時間の定義や存在そのものを根底から覆すような挑戦を私たちに突きつけてきました。現実とは何か、存在とは何か、私とは何者かという概念全体が、今や答えるのが非常に複雑な問いになっています。
いくつか例を挙げてみましょう。太陽の内部はどうなっているかといった、非常にシンプルな疑問があります。直接見たことはありませんが、太陽からエネルギーが溢れ出ているのは見えます。実際には地震波のような波が太陽の表面を伝わっており、その波の伝わり方を調べることで内部の構造を研究することができます。
では、太陽のコアがどのように機能しているか正確に知っているでしょうか。いいえ、知りません。かなり真実に近づいている部分もありますが、それを直接観測する能力がまだないのです。
一方で、空間と時間とは本当は何なのか、という疑問もあります。私たちは長い間、自分たちの周りに空間と時間が存在することを当たり前だと考えてきました。時間は一つの方向に流れ、空間はおそらく無限に広がっていると。しかし、かつては空気も何もないただの空間だと思われていた時代がありました。私たちが地球の大気という素晴らしい空気の海の底で生きていることに、人々は気づいていなかったのです。
空気が存在することは18世紀になってようやく証明されました。そしてアインシュタインは、空間と時間は私たちが認識しているような単純なものでは絶対にあり得ないことを示しました。それはすべて光の速度に関連しています。光の速度はどの観測者にとっても常に一定です。
アインシュタインに関する神話の一つに、彼が科学界のエスタブリッシュメントに属しておらず、どこからともなく頭の中だけでこれらの驚くべきアイデアを引っ張り出してきたというものがあります。しかし実際には彼はその一員でした。彼は特許局で働きながら仕事を探していた大学院生であり、その奇跡の年に特殊相対性理論や一般相対性理論などの理論を発表したのです。
ここで、あることが真実かどうかをもう少し積極的な方法で定義することを許容する一例を紹介しましょう。アイザック・ニュートンは、重力がどのように機能するかを非常によく説明することができました。彼は重力という力が存在すると最初に言った人の一人であり、それが単なる力であると述べました。
この力が宇宙に浸透しており、だからこそ惑星は太陽の周りを回り、リンゴは木から落ちるのだと。彼の重力方程式を使えば、その力を非常に正確に計算することができました。重力という力が存在し、それが宇宙を結びつけているという素晴らしい発見です。
しかし、次にこんな疑問を投げかけなければなりません。重力という力とは一体何なのか。それは本当に何なのか。何がそれを引き起こしているのか。そして、私たちが重力だと考えているものが、実は空間と時間の曲がりであることを示したのがアルベルト・アインシュタインでした。
すべてのものは空間と時間に従わなければなりません。私たちも皆、宇宙の空間と時間に埋め込まれています。もしその空間と時間に形があり、曲がりがあるなら、私たちはそれに従わなければなりません。光でさえもそれに従います。質量を持たない光自身も、実際に曲がってブラックホールに吸い込まれることがあります。
それは光が空間と時間を通って進まなければならず、その空間と時間自体が曲がっているからです。突然、重力とは何かという答えが出ました。それは空間と時間の曲がりなのです。
では、これで終わりでしょうか。これ以上問うべきことはないのでしょうか。では、とても当たり前の次の疑問はどうでしょう。空間と時間とは一体何なのでしょうか。アインシュタインが時空と呼んだものがあり、空間と時間は混ざり合っています。それらはコインの表と裏のようなものです。
一方を変えれば、もう一方も変わらなければなりません。重力場の中にいて空間が曲がっていれば、実は時間の進み方も遅くなります。それは時間にも影響を与えます。私たちはこれら2つが結びついていることを知っています。しかし、それらは何なのでしょうか。
時間は速度によって観測者ごとに異なります。光の速度に非常に近い速度で移動している場合、通り過ぎるあなたを見ている人からすると、あなたの時間は非常に遅くなっているように見えます。もしあなたが光の速度で飛ぶ光子そのものであれば、時間は完全に止まります。
量子力学と時空のつながり
では、時間と呼ばれるこの概念は一体何を意味するのでしょうか。これこそが今、世界の主要な物理学者たちが格闘している問題です。そして彼らは非常に興味深い答えを出そうとしています。私たちにとって非常に挑戦的な答えになると思います。
1900年代初頭の物理学者になったと想像してみてください。若きアルベルト・アインシュタインから、空間と時間は曲げられるものであり、変化させたり操作したりできるものだと言われたら、あなたは彼が頭がおかしいと思ったかもしれません。
では、空間と時間を量子力学の結果として捉えてみるのはどうでしょう。相対性理論と量子力学は矛盾している、両立しないと多くの人が言ってきました。これは事実です。相対性理論と量子力学がほぼ同時期に誕生して以来、ずっとそうでした。
相対性理論は、ある量の質量があれば、空間がこれだけ曲がると言います。一方、量子力学は、すべては確率に支配されていると言います。宇宙に決定された答えはなく、ある粒子がここにいる確率とあそこにいる確率があるだけです。重力による曲がりでさえも、どうにかして確率的なものでなければなりません。
アインシュタインはそれを嫌いました。両方を同時に成立させるように方程式に組み込む方法がなかったのです。もし私たちが間違った質問をしていたとしたらどうでしょう。2つの異なるものを見ているわけではないとしたら。
時空そのものが量子力学の結果であり、それとは別のものではなく、衝突し合う2つのものでもないと言えるとしたら。これこそが、量子もつれを正しく見れば、それが時空そのものであるという現在のアイデアです。
量子もつれというのは簡単に口にできるような言葉ではありませんが、今では宇宙空間も含め、世界中の実験室で観測され再現できるようになっています。2つの物体が相互作用すると、量子力学の法則の下で、ある意味で同じシステムになることができるのです。
非常に簡単な例を挙げましょう。多くの人が原子のモデルを知っていますよね。陽子と中性子からなる核があり、電子がその周りのさまざまな軌道を回っています。実は、核の周りの一つの軌道に2つの電子が存在することができますが、それらの電子は全く同じであってはいけません。完全に同一のものを2つ持つことはできないのです。
それらは反対の「スピン」、つまり角運動量を持たなければなりません。各軌道には2つの電子が入りますが、それらは同じではなく、反対方向にスピンしていなければならないのです。電子がスピンするというのも奇妙なアイデアですが、少なくとも何らかの内在的な角運動量があるとは言えます。
私たちがスピンと呼んでいるものは、実際に物理的な小さなボールがあるかどうかにかかわらず、粒子が持つことのできる性質です。電子は小さなボールではありませんが、角運動量というスピンの性質を持っています。反対のスピンを持っている限り、同じ軌道に2つ存在できるのです。
一方が上向きに、もう一方が下向きにスピンしているとしましょう。私の親指が指しているように、これら2つの電子は異なるスピンを持っていなければなりません。では、それらをそのシステムから取り出したらどうなるでしょうか。原子から完全に引き離し、宇宙のどこかに2つの小さな電子を置いたとします。それらはかつて同じ軌道にいたので、反対のスピンを持っているはずです。
では、それらを数フィート、あるいは数マイル離してみましょう。数百マイルでもいいです。もしかしたら限界はないのかもしれません。私たちが発見したのは、何らかのエネルギーを使ってこれらの電子の一方のスピンを変化させると、もう一方の電子はその変化を瞬時に感知するということです。
これは、光の速度でさえ伝わらないため、一方からもう一方へ信号が送られているわけではありません。瞬時の反転なのです。信号が伝わっているわけではありません。なぜなら、これら2つのものは基本的に同じ量子システムだからです。量子力学のルールでは、それらは同じ物体なのです。
ですから、量子システム間で信号が伝達されるという概念自体がありません。実際には空間や時間というものがないからです。ミクロの世界であれ、何千マイルも離れていようと、同じシステムであるため瞬時に調整されます。それらは同じものなのです。
すべてのものが、何らかの形で他のすべてのものと量子もつれの状態にある可能性はあるでしょうか。かつて宇宙が非常に小さかった時代がありました。ビッグバン直後の時代は、ある意味で私たちは皆同じ粒子のようなものでした。その粒子は変化し、膨張しました。
しかし、ある意味で私たちが宇宙のすべてのものと同じ量子システムであると考えることは可能でしょうか。そして私たちが空間や時間として認識しているものは、そのもつれの度合いなのではないでしょうか。私たちは、自分に近くて相互作用する機会があるものとより強くもつれ合っています。
この部屋の空気や、私の庭のすぐ外の空間などです。長い間あまり相互作用できなかったものとは、もつれの度合いが低くなります。遠くの銀河などは、宇宙の始まり以来近づいたことがありません。アインシュタインは「重力とは本当は何なのか」と問いました。そして今、私たちは「時空とは本当は何なのか」と問わなければなりません。
私たちが知覚しているような単純なものではあり得ないことは分かっています。もしかすると、宇宙の根底にある量子的な現実は、すべてのものが実は依然として同じ量子システムであるということなのかもしれません。
エイリアンの文明について人々が話し、空飛ぶ円盤や宇宙船について語る時、現実を真に理解するための次のステップは、距離という概念が存在しないことに気づくことではないかといつも思います。もしかすると、非常に高度な文明はそれをどうにかして操作できるのかもしれません。宇宙船に乗ってどこかへ旅行する必要はないのです。
宇宙の他の部分とのこの量子もつれにどうやってアクセスするかを見つけ出すだけです。あなたが本当に、宇宙のすべてのものと同時に同じ量子システムであるということがあり得るでしょうか。そしてそのもつれの度合いこそが、私たちが空間、時間、重力と考えているものなのでしょうか。
これは驚くべきアイデアであり、ますます多くの人々が注目し始めているものです。これが真実だとすでに証明されているでしょうか。いいえ、まだ推測の域を出ません。しかし物理学的には非常によく機能しています。有望なことの一つは、重力の方程式が今や量子力学から導き出されるということです。一般相対性理論と量子力学が混ざらないという状況ではなくなりました。
量子力学から出発し、もつれの度合いから重力が出現するのです。ですから、あと数十年待ってみてください。いつか私たちがこの量子もつれの根底にある構造を解明し、空間と時間の外側へ移動できるようになるかもしれません。
光子にとっての時間と空間
純粋なエネルギーである時、それは光の速度で移動しなければなりません。光子は光の速度で移動しなければならないのです。他の速度では移動できません。光子は時速20マイルでしか動かないような状態では存在できません。光の速度で移動しなければならないのです。そして光の速度で移動している時、空間や時間を経験することはありません。
アインシュタインのアイデアで、光の速度に近づくほど、見ている観測者と比べて時間の進みが遅くなるというのをご存知でしょう。もし私が地球にじっと座っていて、宇宙船に乗って光の半分の速度で通り過ぎる人を見たら、私の時間と比べて彼らの時間は非常に遅く進んでいるように見えます。
そして実際に光の速度そのもので移動している時、時間は止まります。つまり光は、延長された形での空間や時間を経験しないということです。空間のすべての点は一つであり、すべての時間、時間のすべての点も一つなのです。私たちにとっての空間と時間は、光子にとっては存在しません。
それにもかかわらず、私は光子に変換したり戻したりできるものでできています。そして私は空間と時間を経験します。それらを拡張された性質として経験しています。宇宙には二面性があります。そしてこれは、現代物理学にとって、次の物理学の革命にとって最も重要なことの一つになると思います。
私の周りにある光。窓を通して太陽から入ってくる光や、スタジオの照明から私に当たっている光は、私と同じ宇宙を経験していません。光にとって、現実的な意味で宇宙は一度も膨張していません。光子の視点からは、時間と空間のすべての点は今でも一つなのです。
そして私はある意味で光子からできています。しかし、なぜ私は空間と時間を経験するのでしょうか。私たちが認識している空間と時間は、最終的な結論ではあり得ません。人間の脳がまだ認識していない現実を示す、別の視点が必ずあるはずです。光のように単純なものの周りにある物理学が、それを要求しているのです。
私に鳥肌を立たせるのは、私たちが現実そのものの性質をいかに理解していないかということです。今この瞬間、私に当たって反射している光が、宇宙が膨張したことさえ経験していないとしたら、それは一体何を意味するのでしょうか。
E=mc^2という方程式があります。これは便利です。原子核反応のエネルギー源として使えたり、粒子加速器に使えたりします。しかしそれは実は、現実そのものの構造を引き剥がし、その下には何があるのかと私たちに問いかけているのです。
質量とエネルギーの等価性
私にとって、宇宙に関する最も驚くべきことの一つは、エネルギーとは何かという問いだと思います。これは非常に深い問題です。エネルギーとは何かを加速させるのに必要なもの、例えばソフトボールを投げるには腕の化学エネルギーが必要だとか、丘の頂上に置かれたものが地球の重力場の中で転がり落ちやすい状態にあるのを位置エネルギーと呼ぶとか、そういったことには多くの人が馴染みがあるでしょう。
しかし、物質に本来備わっているエネルギーというものもあります。私がいつも不思議に思うのは、光のような純粋なエネルギーの形態と、陽子や中性子、電子などの粒子からなる私たち物質が、全く違うものに見えるということです。それらは宇宙に対する見方も全く異なるように思えます。これが現代物理学における最も面白く、また不気味な事実の一つだと感じます。
エネルギーと質量が実は何らかの形で同じものだと考えてみましょう。質量とは、エネルギーが凝集して蓄えられた形のようなものだと。つまり、エネルギーから質量へ、質量からエネルギーへと変換することができるということです。これがアインシュタインが導き出した有名な方程式 E=mc^2 であり、どんな質量のなかにもそれと同等のエネルギーが存在し、両者は基本的に同じものだということを示しています。
宇宙は実際には質量とエネルギーの間にあまり違いを見ていないようです。量が同じであれば、どちらの形でも存在できるのです。いくつか例を挙げてみましょう。
核融合のような核反応が起こる仕組みは、ある量の質量を純粋なエネルギーに変換するというものです。核融合では粒子同士をくっつけ、より大きな原子へと衝突させますが、その過程でエネルギーが放出されます。わずかな質量が失われる代わりに、エネルギーが生み出されるのです。
逆のことも起こります。粒子加速器では、粒子同士の衝突によってどんどんエネルギーが高まります。その衝突によって膨大なエネルギーが生み出され、ある粒子がその量のエネルギーを持っている限り、どんな粒子でもその反応器から飛び出してくる可能性があります。これが私たちが新しい粒子を発見する方法です。
粒子加速器でエネルギーをどんどん高くしていくと、宇宙にその量のエネルギーが存在するだけで、それが質量として現れることができるのです。E=mc^2 ですから、エネルギーが質量になるには膨大なエネルギーが必要です。エネルギーは質量に光の速度の2乗をかけたものに等しいからです。しかし、エネルギーと質量はほぼ同じものなのです。
宇宙がこれを行っている方法の一つに、仮想粒子と呼ばれるものがあります。空間と時間そのもののエネルギー、つまり宇宙自体に内在するエネルギーがあるだけで、そのエネルギーが実際に質量になることがあります。電子とその反物質である陽電子のような、仮想粒子対と呼ばれるものを形成するのです。
その量のエネルギーが存在するため、これら2つの粒子が文字通り宇宙からポンと現れます。そしてほとんどの場合、それらはすぐに互いを打ち消し合います。物質と反物質が対消滅して、純粋なエネルギーに戻るのです。これは皆さんの周りの至る所で起きています。宇宙空間のあらゆるところで、これらの小さな仮想粒子が常に形成されては崩壊しています。
宇宙で非常に興味深い現象が起こるのは、それらの粒子が引き離された時です。一つの例が中性子星の周辺です。仮想粒子が生成され、磁場によって加速されることで、中性子星の磁極からエネルギーのビームが放出されます。仮想粒子そのものによって、それまでそこになかったエネルギーが突然生み出されるのです。
非常に強い磁場など、エネルギーがさらに高くなるとどうなるでしょう。これも中性子星の周りで見られますが、大量の仮想粒子対が作られ始めます。エネルギーが高ければ高いほど、これらの小さな仮想粒子が増え続け、ついには空間自体が質量を持つような状態になります。
中性子星のすぐ近くでは、何もない真空の空間でさえ、これらの仮想粒子の密度が鉄の約3倍にもなります。信じられないことですよね。ですから、エネルギーと質量は本当に同じものなんです。コインの表と裏であり、互いに変換することができ、宇宙はそれを全く気にしていません。どちらも同じように見ているのです。
中性子星という恐るべきモンスター
宇宙で最もドラマチックなものと聞くと、多くの人はすぐにブラックホールを思い浮かべるでしょう。確かに信じられないほど素晴らしいものです。光さえも吸い込んでしまう制御不能な重力なんて、本当に驚異的です。
でも私は、中性子星にもう少し愛を注いでもいいのではないかと思います。中性子星も質量の大きな星が死ぬ時に作られますが、ブラックホールに崩壊するほどの質量がなかったために残されるものです。ブラックホールが底なし沼のようなものであるのに対し、中性子星は実際に研究することができる物理的な実体として残ります。
中性子星を観察し、観測し、実際の測定を行うことができます。そして私たちが目にしているものは驚くべきものであり、ある意味で現代の物理学ではまだ説明しきれないものです。
中性子星をなぜ中性子星と呼ぶのでしょうか。かなり単純化してお話ししますが、原子を想像してください。原子核には陽子と中性子があり、電子は核から離れた軌道にいます。驚くべきことに、中性子星の重力はあまりにも強いため、電子を原子核の中に押しつぶしてしまうのです。
マイナスの電荷を持つ電子とプラスの電荷を持つ陽子を一緒に押しつぶすと、中性子になります。中性子は時折、自然に電子と陽子に崩壊することがあります。つまり中性子星とは、主に中性子でできている天体なのです（陽子も少し含まれていますが）。
それは基本的に原子核と同じ密度を持ちながら、直径が約10マイル（約16キロメートル）もあります。つまり、直径10マイルの巨大な一つの原子核のようなものです。信じられませんよね。形成される過程で激しい収縮が伴うため、「角運動量の保存」と呼ばれる法則によって、崩壊して小さくなると回転が非常に速くなります。
フィギュアスケートの選手が腕を広げてスピンしていて、腕を縮めるとスピンがどんどん速くなるあの古典的な例と同じです。これが星でも起こります。ただこの場合、直径10マイルのボールが1秒間に500回も回転しているんです。それだけ大きくて重いものがそれほど速く回転していると考えるだけで、頭がクラクラしますよね。
高エネルギーが物質を生み出す仕組み
最近、この中性子星が、これまで説明のつかなかった謎の現象を説明する上で重要な役割を果たしました。あまりにも謎めいていたため、高度なエイリアン文明からの信号ではないかと疑う人さえいたほどです。それが「高速電波バースト」と呼ばれるものです。
高速電波バーストはここ数年ニュースになっていますが、なぜかというと、この謎の電波バーストにあまりにも莫大なエネルギーが含まれていて、何が起きているのか説明できなかったからです。
たとえば、電波望遠鏡が電波のバーストを記録したとします。そのバーストの持続時間は1ミリ秒、つまり1000分の1秒程度です。ところがその1000分の1秒の間に、太陽が1週間かかって放出するのと同じくらいのエネルギーが放射されているのです。そんな信号が空のあちこちから届いていました。
私たちはこれが一体何なのか必死に考えました。どうすればあんなに短い時間で、あんなに狭い範囲に、それほど信じられないほどの高エネルギー放射を生み出せるのか。世界中で高速電波バーストの正体を突き止めるレースが始まりました。
幸運なことに、私たちにはこれらの現象を研究するための多くの手段があります。現在、地球の軌道上にはX線やガンマ線など、最もエネルギーの高い光を測定する多くの高エネルギー望遠鏡があります。これらは、温度が数百万度から数十億度に達しないと放射されない光です。
素晴らしいことに、これらのバーストが空のどこから来ているのかをピンポイントで特定できるようになってきました。そして調べていくと、それらが中性子星の位置と一致しているように見えたのです。したがって、高速電波バーストはおそらく中性子星が原因だと考えられます。
正確に何が起こっているのかはまだ完全には分かっていませんが、おそらく地震のようなものと関係があります。地震が起きると、地殻の一部がズレて地球内部を様々な波が伝わっていきますよね。私たちが地球の内部構造を知っているのは、実際にこれらの波を研究しているからです。
地球の内部にマグマがあり、液体の金属の核があり、さらに固体の金属の核があるということを、実際にサンプルを採って見た人は誰もいません。しかし、これらの圧縮波が地球内部をどのように伝わっていくかを観察することで、地球の内部がどのようになっているかを推測できるのです。
中性子星でも同じことが起こっている可能性がありますが、そのエネルギースケールははるかに桁違いです。信じられないほどの密度と温度を持つ中性子のボールです。この星の外側には中性子の地殻が形成されており、内部はおそらく純粋な中性子の流体だと考えられています。
なぜそれが分かるかというと、中性子星が回転する際、時折水風船のように中身が揺れ動くような挙動を見せるからです。そのため、私たちはこれを結晶のような薄い地殻としてモデル化しています。
それがどのようなものか、私には想像もつきません。まず第一に、その地殻付近の重力はあまりにも強力で、近づいただけで粒子レベルまで粉々に押しつぶされてしまうでしょう。しかし、もしその地殻に何らかの欠陥があり、「星震（クエイク）」が起きてズレが生じたとしたらどうでしょう。
それは中性子星全体に圧縮波を送り、地殻がほんの一瞬再構成されるだけで、凄まじい量のエネルギーを放出するはずです。現在私たちの最も有力な説明は、この驚くほど謎めいた高速電波バーストは、おそらく中性子星の地震（星震）だというものです。
地震が地球の内部について多くのことを教えてくれたように、今度は1000分の1秒の信号を取り出し、それを詳細に分析して、その放射バーストの内部で起こっている構造を突き止め、中性子星の内部がどのようになっているかを再構築しようとしているのです。
中性子星は本当にモンスターです。ブラックホールとは違い、表面を見ることができますし、そこからどのように放射が出ているかを実際にマッピングすることができます。宇宙の本当に神秘的な部分でありながら、実際に測定できるものと言えば、中性子星を置いて他にないでしょう。
最も近い中性子星でも数百から数千光年離れているので、幸いなことに私たちに危害を加えることはありません。でも私がいつも疑問に思うのは、放射線で焼き尽くされる前に、あるいは中性子星のさらに奇妙な性質に飲み込まれる前に、どれくらいまで近づいて測定できるのだろうかということです。
E=mc^2の話題に戻りましょう。エネルギーは質量に光の速度の2乗をかけたものに等しいというアインシュタインの有名すぎる方程式です。これが本当に意味しているのは、どんな質量の中にも、たとえば私の小指の質量の中にも、とてつもない量のエネルギーが秘められているということです。
もし私の小指を純粋なエネルギーに変換できたとしたら、日本に投下された原爆が10セント硬貨程度の質量を変換したものだということを考えると、私の小指一つにいくつもの核弾頭に匹敵するエネルギーが詰まっていることになります。
しかし E=mc^2 は逆方向にも機能します。小さな空間に大量のエネルギーがあれば、それは基本的に質量と同じように振る舞い始めます。これが「仮想粒子」と呼ばれるものです。高エネルギー状態になると、宇宙はそのエネルギーと同じ質量を持つ粒子を実際に生み出し始めます。大量のエネルギーが質量に変わるのです。
これが粒子加速器の仕組みであり、私たちが新しい粒子を発見できる理由です。2つの金の原子核を激しく衝突させると、その衝突で発生するエネルギーがあまりにも大きいため、そのエネルギーの量だけで粒子が飛び出し始めます。十分なエネルギーさえあれば、宇宙にあるどんな粒子でも作り出すことができます。
中性子星もそれに似たことをしています。自らの質量のせいで、ある種の天然の粒子加速器のようになっているのです。重力による収縮があまりにも激しいため、その星の電場や磁場がこの小さな天体の周囲に極度に圧縮されます。
中性子星の磁場は、家にある冷蔵庫のマグネットの何兆倍も強力です。その磁場だけで通常の物質を引き裂いてしまうほどです。そして、その磁場には膨大なエネルギーが含まれています。E=mc^2 を思い出してください。中性子星の周りにはあまりにも膨大な磁気エネルギーがあるため、宇宙空間の真空そのものが仮想粒子を作り始めるのです。
ある講演を聞いていた時、私の頭は完全に吹き飛びそうになりました。NASAで働いていると、同僚の講演を日常的に聞く機会がありますが、彼らはこう言ったのです。「中性子星のすぐ周りでは、空間そのものの密度、つまり本来なら何もないはずの真空の密度が、その磁場エネルギーによって生み出される仮想粒子の量だけで、純粋な鉄の約3倍の密度になる」と。
空間自体が鉄の3倍の密度を持っている場所を飛び回るとしたら、一体どんな感じなのでしょうか。どんな風に見えるのでしょうか。私は安全な距離から中性子星がどんな風に見えるのか、ぜひ見てみたいです。安全な距離がどれくらいなのかは分かりませんが。
空っぽの空間でさえ鉄よりはるかに高密度になってしまうほどのエネルギー。そしてこれらは現実に存在しています。今夜の夜空にも存在しているんです。暗くて小さくて遠いので肉眼では見えませんが、私たちの周りには常に、こうした真のモンスターたちからの高エネルギー放射が降り注いでいるのです。
太陽風と宇宙天気
私たちの太陽も、高エネルギー粒子の風を放出しています。これは比較的最近になって発見されたことです。1950年代後半から1960年代にかけて私たちが初めて人工衛星を宇宙に打ち上げた時、そこに放射線源があること、宇宙空間に多くの粒子が存在することに気づきました。
私はユージン・パーカーという人物の隣に立つという光栄な経験をしたことがあります。現在、彼にちなんで名付けられた「パーカー・ソーラー・プローブ」という素晴らしい探査機が太陽を周回しています。この探査機は、これまで人間が作ったどんな物体よりも太陽の近くを飛んでいます。本当にワクワクしますよ。
探査機が打ち上げられた時、彼は確か94歳でした。通常、宇宙船に人の名前を付けるのはその人が亡くなった後です。しかし彼は太陽風を予言し、それがどのように機能するかを解明した人物であり、彼以上にふさわしい人物は考えられなかったのです。とても素晴らしいことでした。
現在私たちが研究しているのは、これら高エネルギー粒子の起源と、それがどのように太陽から加速されていくかという点です。高エネルギー粒子と言う時、私は電子や陽子、場合によってはヘリウム原子核ほどの大きさの粒子のことを指しています。これらが時速100万マイル（約160万キロメートル）もの猛スピードで私たちの太陽系を吹き抜けていくのです。
この非常に高エネルギーな風は、惑星の姿を変えてしまいます。火星が長い時間をかけて大気を失い、現在のような冷たく死んだ砂漠になってしまったのも、この風が原因です。金星が私たちが知るような地獄のような環境になったのも、水などの軽い分子がすべて吹き飛ばされ、二酸化炭素と硫酸の大気だけが残されたからです。
はるか遠く、太陽系の果てにある冥王星でさえ、この高エネルギー粒子の風に吹き飛ばされて、毎日大量の大気を失い続けています。
地球がこの風からあまり影響を受けていない唯一の理由は、非常に強力な磁場を持っているからです。地球の内部で溶けた金属が動き回ることで、地球を包み込む磁気ボトル（磁気圏）のようなものが作られ、それが私たちを太陽風から守ってくれています。しかし、いつか太陽は私たちの地球の大気をも完全に吹き飛ばしてしまう日が来るでしょう。
惑星は変化していくものです。この風について知ることが重要なのは、私たちが宇宙環境を理解しなければならないからです。通常、太陽風は人間が全く問題なく耐えられるレベルです。陰謀論を信じる人たちの中には「宇宙には放射線があふれているのに、どうやってアポロは月に到達できたのか」と言う人がいます。
その答えは、アポロ計画がかなり運が良かったからです。通常の太陽風のレベルなら、人間は宇宙空間や月面でも簡単に耐えることができます。問題は、「太陽フレア」などの強力な爆発現象が起き、大量の太陽風が一気に放出される時です。私たちはこれを「コロナ質量放出（CME）」と呼びます。コロナは太陽大気の一番外側の層のことです。
もし、地球の磁場に守られていない宇宙飛行士たちの方向に向けて大規模なコロナ質量放出が起きれば、彼らは致命的な放射線被曝を受けて命を落とす危険性があります。これは私たちが深刻に考慮しなければならない問題です。
アポロ計画では幸いなことに、月面に宇宙飛行士がいなかったミッションの合間に、宇宙飛行士を危険に晒すレベルの太陽嵐が発生していました。だからこそ、月や火星に行くのが難しいのです。宇宙飛行士をその放射線から守らなければなりません。
放射線から守ること自体はそれほど難しくありません。大量の水があれば防ぐことができます。宇宙船に水タンクを用意し、その陰に隠れればいいのです。問題は、かなりの量の水を持って行かなければならず、それが大変な質量になってしまうことです。月面の場合なら、おそらく地下10フィート（約3メートル）ほど掘り下げれば、その上の岩石が放射線を遮断してくれます。
しかし、そのためにはトンネルを掘れる建設機械を月に持ち込む必要があります。ですから、これをどう処理するかについてあらゆる解決策を検討しているところです。
太陽嵐の予測と地球への影響
現在、月へ宇宙飛行士を再び送ることを検討する上で大きな課題となっているのは、こうした激しい太陽嵐がいつ来るかを予測できるかどうかです。答えは「イエス」です。いくつかの方法があります。
最もシンプルな方法は、先ほどお話しした太陽を周回している探査機を使うことです。現在、「パーカー・ソーラー・プローブ」とヨーロッパの「ソーラー・オービター」という2つの探査機があります。さらに、地球と太陽の間にも他の衛星を配置しています。
太陽から高エネルギーの荷電粒子の巨大な塊が吐き出されると、それがこれらの衛星に次々と衝突し、どのくらいの速度で進んでいるか、どれくらいのエネルギーを持っているかを測定してくれます。これにより、月などの場合は通常、地球は1日か2日前の予測を立てることができます。宇宙飛行士に「何かが向かっているから、みんな避難シェルターに入れ」と警告できるわけです。
では、それが実際に起こる「前」に予測することは可能でしょうか。もちろん、これこそが「ヘリオフィジキスト（太陽物理学者）」と呼ばれる世界中の研究者たちの大きな目標です。
太陽は信じられないほどの磁気の驚異です。磁場というのは動く電荷によって生み出されます。エンジンの中で動く金属の電荷が磁場を生み出すのを想像してみてください。太陽の場合、ほぼ全体が水素でできていますが、表面はあまりにも高温なため、ガスがイオン化しています。
電子が原子核の周りを回っている状態から、エネルギーが多すぎて電子が飛び出し、電子と陽子という2つの電荷を持った粒子に分かれてしまう状態です。電荷を持つものはすべて、磁場によって軌道を曲げられます。太陽の表面で美しいループや様々な形を見ることがありますが、あれは非常に高温で電気を帯びたガスが太陽の磁場に沿って動いている姿です。これを「プラズマ」と呼びます。
太陽の磁場の形を実際に見ることができますが、それはカオス的で、信じられないほど複雑です。磁気エネルギーの素晴らしいループがあり、物質がそれに沿って動いています。では、そのループのどれかがいつ壊れて開き、物質を宇宙空間に噴出して巨大な放出を引き起こすかをどうやって予測すればいいのでしょうか。
予測技術は進歩していますが、まだ完全に理解できているわけではありません。私たち自身の星についてのこれほど単純なことでさえ、いつ本当に大きな嵐が来るかを時間単位で予測することはできないのです。「ここに活動的な領域があり、何かを起こしそうだ」とは言えますが、それが確実に起こると保証する方法はありません。
これを考えると、2012年のことを思い出します。あの年は私にとってちょっと大変な年でした。「マヤ暦の終末論」が話題になっていたからです。2012年がマヤ暦のあるサイクルの終わりであり、何か破滅的なことが起こるという噂でした。
真面目な話、NASAの私宛てに「ペットを苦しませたくないので安楽死させるべきでしょうか」といった電話がかかってきたんです。他にも「来月世界は終わるんですか」と聞かれました。私はこう答えました。「もし来月世界が終わると分かっていたら、私がオフィスに座って電話の応対をしていると思いますか？そんなことはしませんよ」
私たちは、天文学的に異常なことは何も起きていないし、心配する必要は全くないと人々に伝え続けました。その年、太陽は自然な活動期にありました。約11年ごとに太陽は非常に活動的になり、その後また静かになります。私がこれを知っている理由の一つは、オーロラ（北極光）を見るのが大好きだからです。
オーロラは、これらの荷電粒子が地球の大気と相互作用して極地方に美しい光の帯を作る現象です。私たち一般の人間にとっては、太陽活動で気づくのはそれくらいのものでしょう。
ところがその2012年に何が起きたかというと、地球の送電網にとって非常に危険となるレベルの巨大なコロナ質量放出が起きたのです。人間や動物、植物に直接の危害を加えるものではありませんでしたが、地球の磁場に大量の電流を流し込み、もし直撃していれば多くの電力網がダウンし、甚大な被害をもたらしていたはずです。
しかし、それは太陽の裏側、つまり地球とは反対の方向に向けて放出されました。太陽系の反対側にいた私たちの衛星が、太陽からの強力な荷電粒子のバーストに激しく打たれたのです。私たちはそれを観測し、何が起きたかを確認し、追跡することができました。みんなで胸を撫で下ろしました。
太陽は自転していますが、全体が同じ速度で回っているわけではありません。赤道付近は極付近よりも速く自転しています。固体の球ではないので、ねじれるように回るのです。太陽の自転周期は平均して約29日です。
ですから、爆発しそうな活動領域があっても、私たちの視界から外れる側に回ってくれて安全な場合もありますし、逆に太陽の裏側から見えなかった嵐が突然やってくることもあります。私たちが「宇宙天気」と呼ぶ現象を観測することには、素晴らしい複雑さがたくさんあるのです。
小惑星の採掘は現実的か
小惑星について私が本当に魅了されるのは、それらが何十億年も前の太陽系の姿をそのまま保存している存在だからです。太陽系はかつて、ガスとチリの雲でした。それが重力の力で集まり始め、小さな塊になり、やがて大きな塊となって惑星が形成されました。
地球のような惑星は、そこから劇的に変化しました。内部はドロドロに溶けていますし、表面では浸食や雨、風が絶え間なく地形を変えています。何十億年前と同じままのものは一つもありません。しかし、大きな天体になれずに取り残された小さな構成ブロックがあり、それらは何十億年もほとんど姿を変えていないのです。
科学的にこれらが宝物とされる理由は、太陽系が形成された当時の化学組成や物理的条件などをそのまま閉じ込めたタイムカプセルだからです。
では、小惑星を採掘（マイニング）するという話題についてはどうでしょうか。地球のような惑星では、内部が高温のドロドロの状態で、重いものはすべて底に沈んでいきます。液体の状態では重いものが底に沈むので、私たちの地球の中心核（コア）は鉄やニッケル、さらには金、銀、白金といった重い金属でできています。地球が溶けていた時代に重かったものは、ほとんど中心核に沈んでしまったのです。
しかし、もし小惑星でそのような現象が起きていなければ、小惑星はまだ「ごちゃ混ぜ」の状態のままです。重い物質が沈み切っていないのです。ですから同じ体積で比較すれば、地球の地殻よりも小惑星の方が、金や白金、チタンなどの希少な元素（レアメタル）が多く含まれているのは事実です。
しかし、小惑星は比較的小さく、しかも宇宙空間にあるため到達するのが非常に困難です。私にとって、これは費用対効果の問題になります。確かに小惑星の物質には希少で価値のある元素が多く含まれていますが、同時に大量の鉄も含まれています。そして、その鉄を手に入れるのに莫大なコストがかかります。
小惑星まで行き、採掘し、そこから得られるほんの少しの金を持ち帰ることが、いつ経済的に見合うようになるのか、私には分かりません。私の推測では、近い将来には実現しないでしょう。商業的な意味で小惑星の採掘が近いうちに行われるとは思えません。
宇宙空間でコンパスは使えるか
宇宙でコンパスが使えるかどうかというのは魅力的な質問ですね。まずコンパスの仕組みについて話し、それから私たちが宇宙空間でどのように自分の位置を把握するかについて話しましょう。
コンパスは磁場に反応する道具です。コンパスが常に北を指すのは、地球の磁場に反応しているからです。地球は溶けた金属の素晴らしい中心核を持っており、その金属が動くことで北極と南極を持つ磁場が生み出されます。金属でできたコンパスの針は、地球の北極付近にある磁極に向かって引かれます。コンパスを動かすのは磁場なのです。
当然ですが、地球から遠く離れれば、地球の磁場を感じることはできなくなります。もし土星の近くにいれば、コンパスは地球の北極を指すことはありません。木星や土星はそれぞれ独自の磁場を持っています。
たとえば木星の近くにいれば、木星は地球よりもはるかに強力な磁場を持っているので、コンパスは間違いなく木星の北極を指すでしょう。
では、さらに遠くへ行ったらどうでしょうか。宇宙空間そのものに磁場はあるのでしょうか。実はあるんです。私たちの銀河系全体にも磁場が存在します。この磁場は非常に弱いため、非常に感度の高いコンパスが必要かもしれませんが、もしそれを持っていれば、銀河系にも磁気の北極と南極があり、その磁場が銀河全体に浸透しているのがわかるはずです。
コンパスを使えば、他の惑星の北極や南極、あるいは星の北極や南極を見つけることができます。星も磁場を持っていますからね。局所的な磁場に反応して、銀河の北極と南極でさえ見つけることができるでしょう。
しかし、そこから別の疑問が浮かびます。銀河と銀河の間の、探知可能な磁場が全く存在しないような宇宙空間で、どうやって方向を見つければいいのでしょうか。
宇宙ではすべてのものが動いています。「この点が静止していて、これを基準点として他のすべてのものが動いている」と言えるような絶対的な基準点はありません。私たちは太陽の周りを時速約6万6000マイル（約10万キロ）で移動しています。同時に太陽は、銀河の中心の周りを時速約50万マイル（約80万キロ）で回っています。さらに私たちは、銀河の集団の中心に向かって時速約150万マイル（約240万キロ）で重力落下しています。
これらはすべて「何に対して」という相対的な話です。宇宙には絶対的な基準枠が存在しません。
しかし、宇宙空間でナビゲートするための最良の方法が一つあるとすれば、それは「宇宙マイクロ波背景放射」と呼ばれるものです。これは私たちが見ることができる最も古い放射です。ビッグバンの約40万年後の時代から、宇宙のあらゆる場所からやってきている放射です。
それは宇宙空間全体を満たしている穏やかなマイクロ波で、どの方向を見てもほぼ同じです。昔、アンテナがついていた古いテレビで、画面に映る「砂嵐（ノイズ）」の多くは、実はこの背景放射からのマイクロ波でした。私たちが測定できることの一つは、この背景放射の海に対する私たち自身の相対的な動きです。
ですから、もし宇宙空間でコンパスを使って方向を知ろうとするなら、コンパスは常に「最も強くて最も近い磁場」に反応するということを覚えておいてください。惑星の極、星の極、あるいは銀河の極を指すでしょう。しかし、それが読み取っているのはあくまで磁場であり、コンパスが教えてくれるのはそれだけなのです。
天文学の発展と星の正体
天文学の力について考えると、私たちが「すでに知っていることの多さ」に驚かされます。もちろん分からないことは山ほどあり、科学者は分からないことにこそ焦点を当てます。それが私たちの仕事であり、未解明の疑問に答えることで研究資金を得ているからです。
しかし、私たちがすでに知っていること、そしてそれがいかに「最近になって」分かったことかという事実には本当に驚かされます。
星が何でできているか考えてみてください。星は主に水素とヘリウムでできていると聞いたことがあるでしょう。非常に熱く、高密度で燃えているガスの球体だと。しかし、私たちがそれを知ったのはいつでしょうか。
実は、1920年代から30年代にかけて、ハーバード大学で研究していたセシリア・ペインという若い女性が、星が水素でできているに違いないことを証明する博士論文を書くまで、誰もそのことを知らなかったのです。当時、彼女は一人の女性大学院生でした。
それ以前は、太陽はおそらく地球のような巨大な岩の塊だろうと考えられていました。もしそれほど巨大な岩があれば（これは事実ですが）、重力によって内側に押しつぶされる力が非常に強くなり、岩の温度は非常に高くなります。太陽の表面温度は約1万度（華氏）ですが、それほど巨大な岩があれば重力収縮によってその温度に達するはずだ、と。
しかし、その熱が続くのはせいぜい数百万年程度です。1800年代後半に、チャールズ・ダーウィンがグランドキャニオンの地層などを観察し、進化や地球の変化には数百万年という時間では短すぎる、もっと長い時間が必要だと感じていたのは興味深いことです。
当時主流だったアイデアの何が問題だったかというと、太陽が単なる巨大な地球（岩石）であり、重力の収縮だけで熱を出していると考えていたことです。それでは数百万年で冷えてしまいます。
しかし事実は全く異なりました。太陽は宇宙で最も軽い物質である水素でできていたのです。膨大な重力が水素を押しつぶすことで内部が数百万度という超高温になり、それが核融合反応を引き起こし、何十億年もの間燃え続けることができるということがわかったのです。
ビッグバンと観測可能な宇宙の限界
科学者たちが「ビッグバンは何もないところから生まれた」と考えているというのは、おそらく最も一般的な誤解の一つでしょう。宇宙を構成するこれほど多くのエネルギーや物質が、無から突然現れたと言うのか？いいえ、そんなことを信じている科学者は一人もいないと思います。
問題は、当時の宇宙がどのような状態だったかを考えようとする時に起こります。現在、私たちが観測できる宇宙（観測可能な宇宙）を考えてみてください。片側から反対側まで、135億光年以上の距離を見渡すことができます。しかしその当時は、私たちに見えるすべての物質が、原子よりも小さな空間に圧縮されていたのです。
その状態を説明できる物理学を、私たちはまだ持っていません。あまりにも小さな体積の中に、あまりにも膨大な質量とエネルギーが詰め込まれているのです。いや、この時点では質量という概念すらなく、純粋なエネルギーの塊だったでしょう。現在の物理学の理論は、そこまで到達できていません。
極限状態における重力の働きについて理解が進めば、何がビッグバンを引き起こしたのか、さらにはビッグバンの「前」に何があったのかについて手がかりが得られるかもしれません。しかし、ビッグバンの「前」という言葉自体が少し厄介です。なぜなら、ビッグバンは空間だけでなく、時間そのものの始まりだったと考えられているからです。
ビッグバン以前の宇宙がどのような状態であったにせよ、そこには私たちが認識しているような時間は存在しなかったはずです。空間と時間は、その後の宇宙の膨張に伴って生じた結果のように見えます。では、時間も空間もなく、極小の体積に膨大なエネルギーが詰め込まれた状態をどう表現すればいいのでしょうか。私たちにはそれを説明する言葉や物理学がありません。
いつか解明できるかもしれませんが、現時点では説明する方法がないのです。
ビッグバンに関するもう一つの大きな誤解は、「ビッグバン以前の宇宙は小さかった」というものです。えっ、さっき「私たちが見ているすべてのものが原子より小さい体積に収まっていた」と言ったじゃないか、と思うかもしれません。
しかし科学者たちは、「私たちが今見ている宇宙がすべてではない」ということを理解しています。「観測可能な宇宙」という概念があるからです。宇宙はビッグバン以来、約138億年存在していると考えられています。宇宙の遠くを見れば見るほど、必然的に過去の時間を遡って見ることになります。
もしある天体が100万光年離れていれば（例えばアンドロメダ銀河は約200万光年離れています）、今夜双眼鏡でアンドロメダ銀河を見ている光は、200万年前にそこを出発したものです。つまり、あなたは200万年前のアンドロメダ銀河を見ているのです。
現在、私たちの望遠鏡は非常に強力になり、ビッグバンからわずか約40万年後の時代まで遡って見ることができるようになりました。これは驚くべきことです。光が138億年近くもかけて地球に届くほど遠くの空間を見ることができるのです。
その時代まで遡って見ると、宇宙は今とは全く違って見えます。非常に高温で、太陽の表面と同じくらいの温度です。あまりにも高密度で高温なため、それ以上遠く（過去）を見通すことができません。空のどの方向を見ても、その距離まで見ると、ビッグバンから40万年後の宇宙の姿、つまりすべてが高温の水素ガスで覆われた状態が見えるのです。
ビッグバン以前には、私たちが今考えているような空間や時間がなかったかもしれないという、少し奇妙な言い方をしています。しかしビッグバンの前にそこにあった「何か」の、ほんの小さな一部が膨張して、私たちが今日見ている宇宙になったのです。
しかし、その小さな一部分が「宇宙のすべて」だったわけではありません。ビッグバンが起こる前、つまり何かが宇宙を膨張させてその姿を完全に変えてしまう前に、元の宇宙全体がどれくらいの大きさだったのかは分かっていません。ですから、ビッグバン以前の宇宙が極小だったとは限らないのです。無限に大きかった可能性もあります。
そのため、宇宙が本当はどれくらい大きいのか、どんな形をしているのか、私たちには分かりません。私たちが見ることができるのは、そのほんの小さな一部分だけなのです。
私の腕をビッグバン以前の宇宙だと想像してみてください。現代の物理学では説明すらできないような状態です。私たちが現在見ることができる「観測可能な宇宙」全体は、かつてその腕の中のたった一つの原子の大きさだったかもしれません。その一つの原子が膨張して、私たちが観測できる宇宙全体になったのです。
しかし、それは宇宙全体ではありません。私の腕には何兆個もの原子があります。その一つひとつが膨張して、それぞれが独自の「観測可能な宇宙」になる可能性もあるのです。ですから、ビッグバン以前の宇宙がどれくらい大きかったのか、どんな形をしていたのかは分かりません。私たちが目にしているのは、すべてに膨張したほんの小さな一部に過ぎないからです。そこには、私たちが見ることができる範囲をはるかに超える広大な世界が広がっているはずです。
ホログラフィック原理：宇宙はシミュレーションか？
最近、一般の方々から最もよく受ける質問の一つが「私たちの宇宙はシミュレーションですか？」というものです。人々が「ホログラフィック宇宙」という言葉を耳にしているからだと思います。これは現代物理学において非常に強力で、ますます人気を集めているアイデアですが、残念なことに名前の付け方が少し誤解を招きやすいんです。順を追って説明しましょう。
この理論は数十年前、スティーヴン・ホーキングなどがブラックホールの仕組みを解明しようとしていた時に始まりました。ブラックホールが存在することは分かっていました。遠くから日常的に観測していますからね。しかし、その仕組みの物理学がどうもうまく説明できなかったのです。それは物理学の重要な法則に違反しているように見えました。
宇宙は情報が失われることを嫌います。粒子には電荷があり、スピンがあります。素粒子については様々な情報を定義できます。しかし、それがブラックホールに落ちてしまうと、そこには質量（重力）しか残っていないように見えます。粒子の電荷などの情報はどうなってしまったのでしょうか。二度と取り戻すことはできないのでしょうか。
科学者たちが数学的な計算を進めていくと、非常に興味深いことに気づきました。ブラックホールを「2次元」であると仮定すると、すべての計算がずっとうまくいくのです。
本来、ブラックホールは3次元の物体です。よく排水口に吸い込まれるような形で描かれますが、基本的には球状の「帰還不能点」を持っています。ブラックホールの周囲の重力があまりにも強いため、その距離まで近づくと二度と戻ってくることはできません。これが事象の地平面（イベント・ホライズン）です。
それを球体として捉えるのではなく、2次元の表面であるかのように振る舞い始めたのです。3次元であるはずのものが、2次元だと考えた方がはるかに理解しやすくなったのです。
すると科学者たちはこう考えました。「これがブラックホールでうまくいくなら、宇宙全体についても何かを教えてくれているのではないか？」と。これこそが、現代物理学における最も重要な新しい革命の一つかもしれません。つまり、私たちの現実が実は2次元であると仮定した方が、物理法則がずっとうまく機能し、統合されるかもしれないのです。
周りを見渡せば空間は明らかに2次元以上（3次元）あり、さらに時間もあります。それがどういうことなのか？そこで「ホログラム」という例えが登場しました。
1980年代にホログラム博物館に行った時のことを今でも覚えています。ホログラムが新しくて本当にエキサイティングだった時代です。ホログラムはただの2次元のフィルムやガラスの塊でできているのに、中を覗き込むと3次元に見えます。
さらに記憶に残っているのは、台座の上に置かれたあるホログラムです。その周りを歩くと、中にいる人が動いて私に手を振っているように見えました。ホログラムを見ていると、この2次元の表面に、動きや時間までもが埋め込まれているように見えたのです。
これが「ホログラフィック原理」という言葉の意味です。誰かがホログラムを作ったとか、どこかの悪の天才が私たちに現実を投影しているシミュレーションだという意味ではありません。ホログラフィック原理が本当に意味しているのは、宇宙はホログラムと同じような方法でエネルギーや情報を保存しているかもしれない、ということです。
もしそれが本当で、私たちが本当にこの2次元の宇宙に埋め込まれているのだとしたら、それは驚くべき意味を持ちます。それはおそらく、時間のすべての点が「同時に存在している」ことを意味します。私が今動いていて、時間が一方向に流れており、変化が起きているという私たちの認識は、ただ誰かがホログラムの横を通り過ぎながら、映像が動いていると錯覚しているのと同じことかもしれないのです。
空間の広がりや時間が流れているという事実は、宇宙の真の不可欠な要素ではないかもしれないという驚くべきアイデアです。それは単に人間の脳がそのように認識しているだけで、根底にある現実ではそうではないのかもしれません。私たちはこれらを「創発特性」と呼んでいます。それは本当の物語ではないのです。
ホログラムは実際には動いていませんし、3次元でもありませんが、私たちの知覚を通してそのように見えます。宇宙全体が、何らかの情報表面として「すべて同時に存在している」という驚くべき考え方、それがホログラフィック原理です。
現在のところ、この理論は数学的に非常によく機能しています。これが本当に真実なのか、私たちが宇宙だと考えているものが本当に何らかの2次元構造なのかどうかはまだ断言できません。今後の研究に期待していてください。
人間の直感を超える宇宙のスケール
かつてダーウィンが研究していた時代、地球の年齢が数千年だと主張する聖書を信じる人々と、いや数百万年は古いはずだと主張する科学者との間で論争がありました。天文学者という仕事をしていると、常に信じられないほど大きな数字を扱うことになります。中には馬鹿げているほど巨大な数字もあります。
しかし、100万とはどれくらいの数なのか？10億とはどれくらいなのか？人間の脳は、それを正確に把握できるようにはできていません。私も他の人と同じで、人間の脳はそのような巨大な概念をうまく処理できないのです。
その代わり、自分の頭では完全に理解できないような概念の海で泳ぐことに慣れていくことになります。私はあなたに、1光年がどれくらい遠いかを直感的に伝えることはできません。1光年とは、光が秒速18万6000マイルで1年間に進む距離で、約6兆マイルにもなります。私自身、それを物理的に視覚化したり感じたりする能力はありません。それなのに、私にとって1光年という言葉は非常に馴染み深く、かなり近く感じてしまうのです。
もしかするとそれが、天文学者が人間の「常識」を手放しやすい理由の一つかもしれません。たとえば「中性子星の内部はあまりにも密度が高いため、スプーン1杯の物質だけでエベレスト山と同じ質量がある」と言われたとき、「なるほど、物理法則によればそうなるね」と受け入れられます。「ビッグバンからわずか3秒後の宇宙の温度は何度だったか」と聞かれても、私たちの物理学はそれを予測できるように機能します。
こうした巨大な数字の中で泳ぎ始め、人間の心がすべてを理解できる究極の存在だという考えを手放し始めたとき、私たちはより大きな問題に取り組み、より大きな疑問を投げかけるツールを手に入れます。すると突然、「そうそう、重力って空間と時間の曲がりなんだよね」と自然に言えるようになるのです。
素晴らしいのは、それが最初は完全に理論的なものとして始まったということです。人々はアインシュタインの理論が非常に便利だと思っていました。惑星の動きや宇宙の仕組みについて極めて正確な予測ができたからです。しかし、空間と時間が曲がるということに、本当の現実味があるのか？文字通り私の目の前にある空間、私の周りの時空が変化し、曲がり、方向を持つなんてことがあるのか？
結果として、私たちの理論の大部分は、何か本当に物理的な真実へと私たちを導いてくれることが分かりました。現在、複数の宇宙は存在するのか、宇宙全体の形はどうなっているのかといった質問を受けます。これらは素晴らしい質問ですが、まだ答えは分かっていません。しかし、それが時間の無駄だとは思いません。
こうした奇妙な理論のいくつかは、時間をかけて証明されていくと思います。ただ待つ必要があります。今のところ、それらの理論のウサギの穴（ラビットホール）を最後まで追いかけるには少し早すぎると思います。もし本当に無数の現実（マルチバース）があったとしたら、物理学はどう機能するのか。まだ推測の域を出ないので、そこに膨大な労力を注ぎ込むのはためらわれます。
思い出してみてください。わずか2000年前、アリストテレスのような天才がいて、彼らは地球が中心にあり、すべての惑星はその周りのクリスタルの球体の上に乗って完璧な円軌道を描いているというアイデアを思いつきました。ルネサンス期に至るまで、人々はそのクリスタルの球体がどうやって動き、どうやって支えられているのかを解明しようとしていたのです。
結局のところ、クリスタルの球体なんて存在しませんでした。観測科学者としての私の中には、常に「今は何事も少し割り引いて聞いておこう」という部分があります。アリストテレスはエレガントで素晴らしいシステムを持っていました。ルネサンス期まで人々はそれを愛していました。ただ、私たちの観測結果がそれと一致しなかっただけなのです。
それはとても美しかったので、人々は手放すのを嫌がりましたが、残念ながら太陽系はそのようには機能していません。これらの疑問を追求することは間違いなく重要ですが、私自身はまだどのウサギの穴にも完全に飛び込む準備ができていません。それらについて考えるのは大好きですが、それが究極的にどこへ行き着くのかを追究するには、おそらくまだ早すぎると思います。
人間の知覚の限界と宇宙の真実
今日、現代物理学が私たちを導く素晴らしい疑問がたくさんあります。私たちが認識している空間や時間は本物なのか。アインシュタインが「空間と時間は曲げられるし、時間そのものが止まることもある」と言ったのは、もう100年も前のことです。
さらにホログラフィック原理のようなものもあります。私たちの宇宙全体が、2次元の表面に埋め込まれた何らかの情報構造である可能性はあるのか。これらは驚くべきアイデアであり、物理的な真実を含んでいる可能性もあります。まだ確かなことは分かりません。
すると「あなたたち科学者は完全に頭がおかしいのではないですか？どうしてそんなに簡単に、時間が方向を持っているとか、空間が実在するという考えを捨てられるのですか？」と聞かれることがあります。
科学者であるために非常に深く受け入れなければならないことの一つは、人間の感覚や人間の脳が、宇宙の全体を認識するための最良の道具ではないということです。
簡単な例を挙げましょう。私たちの目が感知できない光の色（光のエネルギー）は無数にあります。ガンマ線、X線、紫外線、電波などです。これらは単に私たちの目には見えない光の色にすぎません。宇宙には、人間の身体が知覚できるように作られていない色がたくさんあるのです。
そして「脳」という心について考えてみましょう。私たちの周りにいる信じられないような生物たちのことを考えてみてください。バッタを例にしましょう。進化の驚異です。彼らには脳があり、中枢神経系があります。しかし、バッタに量子力学や一般相対性理論を教えることができるでしょうか？交響曲を作曲したり、小説を書いたりできるでしょうか？
できません。バッタの脳にはそれをするための複雑さが備わっていないのです。バッタはそうしたものを認識しません。ではバクテリアはどうでしょう。バクテリアには脳すらありませんが、質量の面で見れば地球上の生命の大多数は依然としてバクテリアです。
私たちは謙虚になり、バッタが量子力学を理解できないのと同じように、人間の脳もまた、宇宙の真の姿を認識することから遠く離れている可能性があることを思い出す必要があります。私たちは知覚の究極の完成形ではありません。
宇宙は、人間の心に理解されるように設計されたり作られたりしたわけではありません。私たちは、自分たちの心が取り込めるフィルターを通して、宇宙のほんの一部を見ているに過ぎないのです。だから私たちは、空間や時間というものが本当に存在すると考えてしまいます。過去、現在、未来が存在すると実際に信じていますが、実はそうではないのかもしれません。
これはガリレオの時代にまで遡ります。ガリレオがいた頃、地球が中心でなければならないという考えがありました。神が世界を創ったのだから、神は地球を中心においたはずだと。しかし、地球がより大きな物体である太陽の周りを回っていることが証明されました。
私が最も好きなガリレオの美しい逸話は、彼が小さな望遠鏡を発明して空を見たとき、肉眼では見えない星が空にあることに気づいた時のことです。道具（テクノロジー）を通して見なければ、私たちには見えない星がそこにあったのです。
そこで疑問が生じます。もし宇宙が私たちが「見る」ため、私たちが「知覚する」ために設計されたのだとしたら、なぜ宇宙はそんなことをしたのでしょうか。なぜ私たちには見えないほど遠く、見えないほど暗いものが存在するのでしょうか。なぜ宇宙の一部はこれほどまでに奇妙で、理解しがたく、人間の常識が通用しないのでしょうか。
正直なところ、それ以外のあり方などあるのでしょうか。
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