本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。
100年前のこの月、ドイツの無名の物理学者アルベルト・アインシュタインは、プロイセン科学アカデミーで自身の 一般相対性理論を発表した。それ以前には、このような現実の基礎の根本的な再構築に向けて科学者を準備させるものは何もなかった。
宇宙は、いわば魔法のような網目によって構成されているという考えが、簡潔で整った一連の方程式の中に込められていた。この網目は、現在では「時空」として知られている。この理論によれば、その網目の構造は、遠方の恒星の周りで光が曲がることに現れるはずであった。
当時の人々にとって、これは信じがたいことに思えた。物理学者たちは長く、光が直線に沿って進むことを知っていたからである。しかし1919年の日食の観測により、宇宙規模では光が 実際に 曲がることが明らかになり、アインシュタインは一夜にしてスーパースターとなった。
自身の理論が検証されたという知らせに対して、アインシュタインは平然と反応したと伝えられている。もしそれが 検証されていなかったら どう反応していただろうかと問われると、彼はこう答えた。「親愛なる神様が気の毒に思えただろう。理論は正しいのだから。」
彼がこの判断にこれほど確信を持てた理由は、その方程式の極めて優美な美しさにあった。これほど美しいものが正しくないはずがあろうか。
量子論学者のポール・ディラックは後に、詩人ジョン・キーツの言葉を借りて、物理学に対するこの姿勢を総括した。自然の数学的記述に関して、彼は「美は真理であり、真理は美である」と宣言した。
科学の芸術
美の探求は、物理学の歴史を通じてその伝統の一部であり続けてきた。この意味で、一般相対性理論は特定の美的関心の到達点である。対称性、調和、統一性と全体性の感覚、これらは一般相対性理論が定式化する理想の一部である。量子論が跳ねるようなジャズの混成物であるのに対し、一般相対性理論は荘厳なワルツである。
その誕生100周年を祝う今、私たちはこの理論を、先見的な科学の業績としてだけでなく、芸術的な偉業としても称賛することができる。
「芸術」という言葉で、私たちは何を意味するのだろうか。
この問いには、これまで多くの答えが提案されてきたし、今後も多くの答えが示されるだろう。挑発的な回答を寄せているのは、詩人であり画家でもある Merrily Harpurである。彼女は「世界中の芸術家の務めは、概念の風景を魅惑することである」と指摘している。芸術を特定の物質的な手法や実践と結びつけるのではなく、Harpurは芸術を社会学的な成果と結びつける。彼女によれば、芸術家は私たちの精神的経験に何か魅惑的なものをもたらすのだという。
私たちの概念の風景を魅惑することは、科学者の 務め ではないかもしれないが、それは科学が達成しうる目標の一つである。また、アインシュタインの発想ほど人を魅了した科学的発想はない。彼は、自身の理論を理解できる人は12人を超えないだろうと述べていたが、多くの概念的な芸術作品と同様に、相対性理論のすべてを理解しなくても、それに心を動かされることはできる。
要するに、この理論は重力についての新たな理解をもたらす。その理解は、尋常ならざるほど奇妙なものである。一般相対性理論によれば、惑星や恒星は、宇宙の布地である時空の中、あるいはその上に存在しており、それはしばしばトランポリンのたとえで説明される。
トランポリンの上に置かれたボウリングの球を想像してほしい。それは表面にくぼみを作る。相対性理論によれば、惑星や恒星が時空の網に対して行うのは、まさにこれである。ただし、表面は二次元ではなく四次元として考えなければならない。
ここで、時空の概念を宇宙全体に適用し、その中にあるすべての恒星と銀河の重力的影響を考慮すると、物理学者はアインシュタインの方程式を用いて、宇宙そのものの構造を決定できる。それは私たちの宇宙的建築の設計図を与えてくれる。
統合
アインシュタインは思索を、彼が「 ゲダンケン （思考）実験」と呼んだものから始めた。「もしも……だったら？」という問いは、彼の思考を全く新しい方向へと大きく開いた。彼は、この知的な遊びの価値を、「想像力は知識よりも重要である」という有名な言葉で称えた。
この引用は、多くの芸術家が賛同しうる格言で続く。「知識は有限であり、想像力は世界を取り囲む。」
しかし、想像力だけでは、その精度が今や多くの桁数にわたって検証され、今日もGPS衛星を正確に保っている一連の方程式は生まれなかっただろう。したがって、アインシュタインは創造力のもう一つの源泉、すなわち数学にも頼った。
たまたま、数学者たちは非ユークリッド的な曲面を記述するための強力な手法を開発しており、アインシュタインは、これらの道具を物理的空間にも応用できると気づいた。そこで彼は リーマン幾何学を用いて、時空が動的な膜となり、巨大な生命体のように曲がり、湾曲し、撓む世界の記述を展開した。
ニュートンの宇宙が静的で特徴のない空虚であったのに対し、アインシュタインの宇宙は絶えず流動し、巨大な力によって引き裂かれ、怪物が住まう風景である。その中には、巨大なX線と光の噴流を放つパルサーや、光を飲み込むブラックホールがあり、その「事象の地平面」の喉の奥では、時空の布地が引き裂かれている。
重要な芸術家の特徴の一つは、他の創造的思想家をどれほど刺激するかという点にある。一般相対性理論はSFのDNAに織り込まれ、私たちに 『スタートレック』のワープ・ドライブ、 ワームホール 、カール・セーガンの小説 『コンタクト』、そして無数のその他の物語的驚異を与えてくれた。小説、戯曲、そして フィリップ・グラスの交響曲 が、そのテーマに着想を得てきた。
芸術と科学の世界を結びつけたいという欲求が高まる今、一般相対性理論は、芸術性が 科学の中に も存在することを私たちに思い出させてくれる。
創造的な飛躍は、遊び心あふれる推測と、論理の遊戯的な力の双方によって生まれる。19世紀の数学者 ジョン・プレイフェア は、非ユークリッド幾何学の奇妙さに応えて、「理性は、想像力があえて追おうとする範囲をしばしばはるかに超えて進みうることに、私たちは気づくようになる」と述べた。
一般相対性理論においては、理性と想像力が結びつき、そのどちらか一方だけでは到達できなかった全体を統合している。
掲載記事は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：Margaret Wertheimは、メルボルン大学の副学長フェロー（科学コミュニケーション分野）である。
画像：この5分間の露光で撮影された彗星。REUTERS/Aaron Kingery/NASA/MSFC/Handout.
