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物理的に”時間”は存在しない! ループ量子重力理論が導きだした因果律の逆説/久野友萬

時間は過去から現在、そして未来へと流れている。私たちはそれが当たり前のように思っているが、時間は存在しないという説がある。
それがループ量子重力理論だ。この理論では過去も現在も未来もなく、ゆえに因果律の逆転も起こりうるという。つまり、未来の原因が現在の結果を決めているということもあるかもしれないのだ!

文=久野友萬

絶対時間と相対性時間

 時間は存在しない‼
 そんな無茶なことをいう物理学者が現れた。量子力学で重力と時間を説明する新しい理論物理学、ループ量子重力理論では、そういうことになるらしいのだ。
 屁理屈なのか、物理学の革命なのか、今回は『時間は存在しない』(NHK出版)という、そのままズバリの本を出したイタリアの理論物理学者カルロ・ロヴェッリの言説を追ってみよう。

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理論物理学者、カルロ・ロヴェッリ。その驚異の理論からホーキング博士の再来といわれる。
カルロ・ロヴェッリの著書『時間は存在しない』(NHK出版)。ループ量子重力理論の第一人者による最先端の物理学解説書。

 時間には、いろいろな尺度がある。
 以前、ベストセラーになった『ゾウの時間 ネズミの時間―サイズの生物学』(本川達雄・中公新書)では、動物はサイズが大きくなると1分間あたりの心臓の拍動回数は遅くなり、小さくなると拍動回数は速くなる。しかしサイズに関係なく、一生の総拍動回数はおおよそ同じだという。
 小さな生き物は代謝が早く、それだけ寿命が短い。いい換えれば、時間が早く過ぎる。大きな動物は代謝が遅い分だけ寿命が長く、時間の進み方が遅い。これは人間も同じで、代謝が早い小さなころの時間の過ぎ方と年を取り代謝が遅くなってからの時間の感じ方が違う(経験による脳の情報処理の差を考慮するにしても)。

 こうした生命の時間とは別に、物理的な時間もある。ニュートンは宇宙を貫く絶対的な時間があると考えた。宇宙の端から端までを貫く巨大な時計があるのだ。日本での今とアンドロメダ星雲のどこかの惑星上の今は同時だ。到達するまでの時間がかかるために同じ今だと体感できないだけで、宇宙のどこであっても物理法則のように均一に時間は進む。
 この考えは実にニュートン的で、ニュートン力学においては、世界はビリヤード台のようなものだ。キューが玉を突いた瞬間、玉がどのポケットに落ちるのか、正確に予測できる。宇宙で起きるできごとはすべて、起きた瞬間から最後のエンドロールが決まっている。人間が未来を予測できないのは、台の上の玉とキューの数が恐ろしく多いからだ。
 もし世界中の原子の動きを丸ごとシミュレーションできるコンピューターがあるなら、未来は予測できる。あなたが生まれた瞬間に、その何十年後かの今、このページを読むことは定められていたのだ。

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古典力学を築いた知の巨人、アイザック・ニュートン。絶対時間と絶対空間を信じていた。

 ニュートンの考えた絶対時間と絶対空間に対して、そうではない、時間と空間は均一ではなく山あり谷あり、速くなったり遅くなったり不均一なのだとしたのがアインシュタインだ。重力と速度が時間を支配する。
 相対性理論では、時間と空間は不可分で、空間の変化が時間の変化だ。強大な重力で空間が曲がるとそこでは時間の進み方が遅くなる。ブラックホールは重力の大きさが物理法則を越えてしまう特異点だが、その表面では時間が止まる。
 速度が速くなると時間の進み方が遅くなる。光速で飛べる宇宙船があったとしたら、光速に近づけば近づくほど宇宙船内部の時間の進み方は遅くなる。これは俗にウラシマ効果として知られ、実際に測定されているし、利用もされている。
 量子加速器では、量子と量子がぶつかって生まれる別の量子を観測するが、とにかく不安定で、数百万分の1秒ぐらいで別の量子に変化してしまう。そこでほぼ光速まで加速させた量子をぶつけると、生まれた量子もほぼ光速で飛ぶため、量子の時間が遅くなる。そして量子が消えてしまうまでの時間が伸びるため、測定可能になる。

 GPS衛星は高速で飛んでいるため、特殊相対性理論により地上よりも時間の進み方が遅くなる。ところが地球からは遠いために重力の影響が小さくなり、今度は時間の進み方が早くなる。この早遅を補正して精度の高い位置情報をナビゲートすることが可能になる。
 地球と火星は光の速度で約3分の距離がある。ニュートンの絶対時間の考え方からすれば、電波で情報を伝えるのに3分間のずれが生まれるだけで、地球の今と火星の今は同時に存在する。光速を越える技術があれば、地球と火星では同じ時計を使うことができる。しかしアインシュタインの考え方からすれば、この3分間のズレは絶対に埋まらない。
 光速で時間が止まるなら、光より早く動くことは時間を巻き戻すことになる。時間が戻るのであれば、空間も戻ってしまい、永久に火星に着くことはできない。ズレが埋まらない以上、地球と火星の間には3分間ズレたそれぞれの今があると考えるのが正しい。
 時間はどこで時計を見るかによって変わる。相対的なのだ。だから相対性理論と名づけられたわけだ。

量子と同じように時間もゆらいでいる

 ループ量子重力理論の導きだした時間の姿は、ニュートンの時間ともアインシュタインの時間とも違う。

 量子の位置が確率でしか求めようがないという話は聞き知っている人も多いだろう。原子以下のサイズの粒子=量子は、ぼんやりと広がる確率の波として存在する。あまりに小さくて見えないからとか、計算上そう表すしかないとかではなく、本当にぼんやりとした雲のような状態なのだ。それが一定の条件が決まると急に粒子になる。
 量子は波であり粒子であり、その重ね合わせの状態は確率で表される。コペンハーゲン解釈と呼ばれ、量子とはどういうものかを説明した量子力学の基礎的な考え方だ。
 私たちの世界は雲のようなぼんやりしたものと、それが収束した粒子とが無数に組み合わさってできている。私たちが変わらないと信じている物質は、あやふやなつかみどころのない確率の波が瞬間瞬間に粒になったり波に戻ったりするゆらぎの中にあるのだ。
 空間とは確率の波が無数にゆらいいるエネルギーに満ちた場であり、確率の波がある値をとった瞬間に波は粒状に収束する。何もない空間などなく、すべての空間には量子がエネルギーの状態でゆらいでは粒子化し、また消えていく。

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時空連続体の概念を生みだしたアルバート・アインシュタイン。

 アインシュタインは時間と空間が不可分なもので、時空連続体と呼んだ。空間に満ちたエネルギーが量子として放出され、再びエネルギーとなって空間へ吸い込まれていく。量子がゆらぐならそれを生む空間もゆらぎに満たされ、時間もゆらぐ。
 物質がゆらぎなら、時間もゆらぎだ。
 ゆらぎから粒子が生まれるのなら、時間からも粒子が生まれる? 時間の粒子? 突拍子もないが、時間と空間が同じ物理の裏表ならそうなるはずだとロヴェッリはいう。

 では、時間量子=タイムクォンタムがあるとしよう。
 時間をどんどん分割する。1秒を100万分の1に、1億分の1に分けても、それは時間だろう。時間は無限に分けられるのではないだろうか。∞分の1の時間があっても、直感的にはそれはありだ。数学でもそれは可能だ。時間は無限に分割できる。しかし、科学は「違う」という。物理の世界、現実のこの宇宙ではそれは不可能なのだという。
 時間が量子の性質を持っているとすると、量子が粒子として存在する最小の時間がそのまま時間の最小単位となるはずだ。それ以下の短い時間には量子は存在せず、この宇宙を構成しない。
 最小の時間はプランク時間と呼ばれ、10のマイナス44乗秒と導かれるのだそうだ。時間は粒子であり、10のマイナス44乗秒以下では存在しない。ということは量子力学が仏教の色即是空空即是色、世界は空っぽだがすべて満たされ、すべての物質は究極的には空っぽであるという世界観と共通するように、時間もそうらしい。時間はあるがなく、ないがある。

 エネルギーから量子が実体化して粒子になるとき、同時に時間も発生する。粒子が再びエネルギーの確率の波に変われば、時間もまた確率波となる。量子がどのタイミングでどこで実体化するか、私たちには知るすべがない。場所とエネルギーを同時に測定できないのが量子の性質なのだ。ぼんやりとした雲のような確率の波のどこかでエネルギーが収束し、粒子に変わる。

 では、時間は? 量子では場所とエネルギーがゆらいでいた。時間量子の世界では、過去と未来と現在がゆらぐはずだ。量子の性質を時間が持つというのだから、そうでなければおかしい。
 究極の最小時間では、過去=原因も未来=結果もなく、ただすべてがゆらぐという奇妙なことが実際に起きているのだ。
 では、時間は幻なのか? 私たちが生きる世界は過去から未来へと矢のように止まらず、変化しつづけているが、これは幻で本当は時間はないのか?

「ない」のだ。
 だからロヴェッリはいっているわけだ、「時間は存在しない」と。

極微の世界には時間はない

 時間はない。
 しかし、明らかに私たちは現在を生きている。もし時間がないというのなら、原因と結果の因果律をどう説明したらいいのだろう?
 過去は過去であり、終わったことを私たちは覚えている。未来は来ておらず、私たちは未来を思い出すことはできない。それなのに因果律も幻だというのか?
 そうではないらしい。ロヴェッリはいう。

「過去と現在と未来の違いは決して幻ではない」

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