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    超ひも理論のフロンティア

    高柳 ( ただし ) ・京都大学基礎物理学研究所教授

    ブラックホールからホログラフィー原理へ

    • 高柳匡・京都大学基礎物理学研究所教授
      高柳匡・京都大学基礎物理学研究所教授

     物質を細かく分けていって最小単位を探究するのが素粒子物理だ。素粒子には四つの力が働いている。

     「電磁気力」「強い力」「弱い力」の三つは似通っていて、標準模型(スタンダードモデル)で統一的に説明できる。ミクロな世界を見る顕微鏡となる「加速器」を使った実験的な検証も行われており、完全に分かった状態になっている。

     だが、四つ目の「重力」は、三つの力と違い、ミクロになる程、力の大きさが無限大になってしまう。伝統的な手法が必ずしも威力を発揮しない。非常に大きな問題だ。

     一つ解決する方法がある。素粒子は大きさをゼロと考えるため、エネルギーも無限大になってしまう。そこで、どんな物でも有限の大きさがあると仮定する。これが「ひも理論」で、2008年にノーベル物理学賞を受賞した南部陽一郎博士が最初に考案した。

     ひも理論では、物質の最小単位を「粒子」ではなく、1次元的に伸びた「ひも」と考える。ひもの長さは非常に短く、加速器など我々の知っている実験では見えない。大きさは有限なので、ミクロになるほど力の大きさが無限大になることはない。ひもには、開いたひもと、閉じたひもの2種類ある。どちらも素材は一緒で、開いたひもで「電磁気力」「強い力」「弱い力」、閉じたひもで「重力」を表すことができる。

     ひもだけで全部の力を表せるひも理論は、四つの力を統一できる魅力的な理論だが、約20年前は正しいのかどうかが大きな問題だった。ひも理論を使わないと説明できないような物理現象があればいいが、大きな革新をもたらしたのが、ブラックホールだ。

     ブラックホールは非常に重い天体で、大きな星を数キロ・メートルの大きさまでつぶすとできる。重力が強すぎるため、光も外へ出られない。そのため、ブラックホールの中に落ちた物体を、外から観測することはできない。落ちた物体の色、形、個数などの情報はどこに行ってしまうのかが、根本的な問題となる。

     物理学では見えなくなった情報の量を「エントロピー」と呼ぶ。イギリス人のホーキング博士は、ブラックホールのエントロピーを導き出す公式を発見した。それによると、エントロピーはブラックホールの体積ではなく、面積に比例する。つまり、ブラックホールの情報はすべて、表面に蓄えられることになる。このように、3次元の情報が2次元に蓄えられる現象を「ホログラフィー」という。

     一方、ブラックホールにも熱力学の法則が成り立つ。ブラックホールは実は温度があり、少しずつ光を放出している。だんだんしぼんで最後に無くなってしまうことになる。そうなると、中にある情報はどこに行ってしまうのか。これを「ブラックホールの情報損失のパラドックス」という。

     ブラックホールの中では何が起きているのか。ひも理論の力を借りると見ることができる。ブラックホールが開いたひもが凝縮した「Dブレーン」と呼ばれるものでできていると考えると、ブラックホールのエントロピーの公式を説明できることが1995年に発見された。いろいろな重力理論があるが、これを説明できるのはひも理論だけだ。これにより、ひも理論の信頼性が非常に増した。

     ここから発展したのが、ひも理論のホログラフィー原理だ。3次元の重力の理論を、2次元のDブレーン上の物理現象に置き換えることができるというものだ。

     「ブラックホールの情報損失のパラドックス」に話を戻すと、そのようなことは起きないというのが答えだ。ホログラフィー原理により、ブラックホールの物理は、普通の物質の熱力学と同じになる。ブラックホールが蒸発するのは、水が蒸発して水蒸気になるのと同じで、情報は消えたりしない。ちゃんと細かく詳細を追っていけば、情報が消えることはないと考えられている。

     ホログラフィー原理を物質の理解に応用するという、興味深い試みも行われている。「強結合」「高温超電導体」「粘性」など、相互作用が強く、数値的に普通の手法では計算できない分野で、ひも理論が応用されている。我々も、相互作用の強い金属では比熱に制限があることを、ひも理論から見いだした。

     ホログラフィー原理は、「量子エンタングルメント(量子絡み合い)」という考え方が重要になっている。ミクロな世界では、二つの相反する状態が半々の確率で混じっている。これを量子エンタングルメントといい、その強さはホログラフィー原理から導き出せる。この考えを発展させると、時空の最小単位は量子エンタングルメントで、それが満ち満ちて大きな宇宙になっていると予想される。

     ひも理論は、重力も含めたすべての力を説明するような理論で、ミクロな理論の構築、物理学の最終的な法則を明らかにしたいという目標がある。宇宙のミクロな構造について、非常に興味深いヒントが得られつつある。

     ひも理論が最終的に解決しないといけない最も重要な問題が、我々の宇宙がどのようにできたのかだ。まだまだ暗中模索の状態だが、いろいろヒントが出てきて、ホログラフィー原理が非常に重要となっている。ホログラフィー原理を使うと、重力が無いものに置き換えることができるため、我々が知っている物質の法則で解き明かすことができるかもしれない。

    高柳匡(たかやなぎ・ただし)
     1998年東京大学理学部卒業。2002年東大大学院博士課程修了。カリフォルニア大サンタバーバラ校カブリ理論物理学研究所研究員、東大数物連携宇宙研究機構特任准教授等を経て、12年から現職。

    【質疑応答】

      ひも理論では、どういう時空を想定すればいいのか。

      いろんな制約から10次元となる。10次元だが、6次元方向が小さく、我々が見えるのは4次元だけ。

      ひも理論が裏付けられるには、何が観測されればいいのか。

      例えば、宇宙誕生時に作られたと考えられている長大なひもが、宇宙に残っている可能性が無いとは言えない。重力波の観測で見える可能性はある。

    ◇知の拠点セミナー 全国の国立大学が共同で利用する研究拠点の成果を一般向けに紹介する連続講座。毎月1回、東京・品川で開いている。日程や参加申し込みは、ホームページへ。

    2014年08月20日 Copyright © The Yomiuri Shimbun
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