今年は、重力を空間と時間の曲率として記述したアルバート・アインシュタインの一般相対性理論が発表されてから100年に当たる。この理論は彼の最高傑作である。しかし科学ではよくあることだが、アインシュタインの洞察は、物理学者に答えを与えたのと同じくらい多くの問いをもたらしてきた。
アインシュタインの方程式を満たす解、すなわち宇宙の曲率を記述する時空を見いだすのは難しく、そのため彼の理論が受け入れられるまでには時間がかかった。初期の研究や最初の重要な検証に取り組んだ科学者たちは、近似を使わざるを得なかった。新たな解を分類し導き出す手法の開発には、数十年を要した。しかし今日では多くの解が知られており、衝突する二つの星の重力場といった難問も、コンピューターで数値計算を行って探究できる。
アインシュタインの理論は、ビッグバンからブラックホールに至るまで宇宙を記述するだけでなく、幾何学と対称性の重要性を物理学者に教えた。その教訓は素粒子物理学から結晶学にまで広がっている。しかし、物理学の他の理論と類似点があるにもかかわらず、アインシュタインの理論は量子力学と統合できない点で際立っている。量子力学は、原子・亜原子スケールで物質の支配的な振る舞いを説明する理論である。
アインシュタインの理論によれば、重力は人類が知る他のすべての物理的な力とは異なり、量子化されていない。ハイゼンベルクの有名な不確定性原理にも従わない。二重スリットを通過する粒子の電磁場は、両方のスリットを同時に通過できる。これに相当する重力場には、それができない。重力に関する理解と物質の量子論とのこの不一致は、数学的な矛盾を招くため、理論物理学者にとって大きな難問となっている。
量子論と重力の組み合わせには、明らかにまだ解明されていない何かがあり、空間、時間、物質に関する私たちの理解は、このつながりを解き明かすことにかかっている。量子物理学の理解と両立する重力の記述が見つかれば、宇宙論に革命をもたらし、宇宙の最初の瞬間について新たな知見を生み、現代物理学全体の基盤となる理論をより深く理解できるだろう。しかし、この発見がもたらし得る大きな影響と、実現を目指す何世代もの物理学者の努力にもかかわらず、どの理論が正しいのか、私たちはまだ知らない。
朝、ベッドから起き上がろうとするときの感覚とは裏腹に、重力は私たちが特定したすべての基本相互作用の中で、はるかに最も弱い。数個の電子による静電反発だけで髪を逆立てることができ、惑星全体の重力を上回る。原子・亜原子の世界では、ほかに起きている現象と比べて重力は重要ではなく、それらの現象はすべて量子論で記述できる。
重力が弱いため、その量子的効果を測定するのは非常に難しい。その結果、欠けている理論の構築に取り組む理論物理学者を導く実験データは存在しない。重力場の一部を構成すると仮定される粒子「グラビトン」を検出するには、天の川銀河ほどの大きさの粒子衝突型加速器か、木星と同じ質量の検出器が必要になる。こうした実験は現在の技術力からあまりにもかけ離れているため、物理学者たちはまず数学的矛盾の解消に取り組み、弦理論、ループ量子重力、漸近的安全性重力などのアプローチを開発してきた。しかし、どの理論が物理的現実を記述するのかを知るには、最終的に実験による検証法を開発しなければならない。
そのため、過去10年間にわたり、物理学者たちは量子重力の間接的な証拠を探し始めた。重力場の量子を検出しようとするのではなく、重力が量子化されていることを示唆する別の効果を研究者たちは探している。こうした検証は、原子の安定性を電磁力の量子化を示す間接的な証拠として用いる方法によく似ている。たとえば、一部の科学者は、遠方の星の画像をぼやけさせたり、系統的な歪みを生じさせたりする可能性のある時空の量子ゆらぎの証拠を探している。また、通常なら禁じられている粒子崩壊を可能にする対称性の破れ、重力波検出器に現れる説明のつかないノイズ、あるいは不可解な量子コヒーレンスの喪失を探す研究者もいる。
これまでのところ、こうした試みで求める証拠は検出されていない。それでも、否定的な結果がいくつかのもっともらしい仮説を退けたため、重要な進展につながっている。研究者たちは特定の理論を支持する結果を見つけてはいないかもしれないが、量子重力理論が考慮すべき観測基準をより明確にすることで、科学の進展に貢献してきた。
アインシュタインの業績を記念するにあたり、彼の理論が私たちに残した問いに答えようと、たゆまず前進する人々の精神も称えたい。その探究は、宇宙論、数値的一般相対論、量子重力といった驚くほど実り豊かな研究分野へと花開いた。一般相対性理論は、ワームホール、蒸発するブラックホール、ビッグバン理論をもたらした。また、宇宙が膨張していること、そしていわゆる系外惑星が誰もが考えていたよりはるかに多く存在することの発見を支えてきた。さらに、宇宙における私たち自身の位置づけに対する考え方を根本から変え、最終的には、この宇宙が唯一の宇宙なのかどうかさえ問い直すに至った。
研究者たちが、現代の学界の多くを特徴づける3年計画に従っていたなら、こうした進歩はいずれも実現しなかっただろう。だからこそ今年は、持続的な進歩は新しくより優れた理論の発展にかかっており、その影響は数十年にわたって十分に理解されないこともある――実際、その影響が100年後も広がり続けることさえある――と理解してきた先見の明ある人々に思いを寄せるよい機会なのかもしれない。
この記事は、 Project Syndicateとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：Sabine Hossenfelderは、スウェーデンのストックホルムにあるNordic Institute for Theoretical Physicsの助教です。
画像：NASA/ESAのハッブル宇宙望遠鏡で撮影された、銀河団SDSS J1038+4849の写真（撮影日不詳、提供画像）。銀河団は宇宙で最も巨大な構造であり、非常に強い重力を及ぼして周囲の時空をゆがめ、宇宙のレンズとして背後の光を拡大、変形、屈折させる。この現象は、ハッブルによる多くの発見に不可欠であり、アインシュタインの一般相対性理論で説明できる。ロイター/NASA/提供、ロイター経由
