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時空と生命?宇宙は生きている?!

日経サイエンス2008年10月号に、面白い記事を見つけたのです。

自己組織化する量子宇宙
J. アンビョルン(ニールス・ボーア研究所)/J. ユルキウェイッツ(ヤギェウォ大学)/R. ロル(ユトレヒト大学)

本文はもっと長いので、ダイジェストの載っている日経サイエンスのホームページをもとに、少々解説を交えながら再構成して紹介したいのです。

物質を形作る基本的な粒子を扱う量子論とアインシュタインの重力理論である一般相対性理論との“結婚”の結果生まれる「量子重力理論」は、未だ実現していないです。
多くの科学者が、理論や仮説を立ててはいますが。。。
相対性理論は、相対論と略されることも多いです。
ここでは混乱を避けるため、相対性理論で通します。

量子論と一般相対性理論の統一がなかなか進まない中で、4次元時空をつくり出すというか、4次元時空がひとりでに生まれる理論が登場しました。
それが、「因果的動的単体分割」です。
4次元時空とは、縦横高さの3次元と時間の1次元が一体となった世界のことです。

細かい話はさておき、この理論からどのような答えが出るか見ていきたいです。

 だって、詳しく聞いたって頭がこんがらがるだけでしょ。

雰囲気だけでも、感じ取ってくださいね。

時間や空間はどのように現れたのだろうか? 

このレシピは、ホーキング(Stephen Hawking)によって一躍有名になった「ユークリッド量子重力理論」をもとにしています。
この理論は、可能なあらゆる時空の形状を重みをつけて重ね合わせることで私たちの宇宙が現れるというものです。
さまざまな性質の時空を、ウエハースみたいに重ねたと思い浮かべてみてくださいね。

そのレシピは実に簡単。
少数の基本的な構成要素を用意する。
量子論の原理にしたがってそれらを集め、よくかき混ぜて落ち着くのを待つだけ。
これで量子時空ができあがる。
未知のものは何も導入する必要はない。

 量子論の原理
 電磁場:空間を調和波として伝搬する、振動する電気的・磁気的擾乱
 電場:荷電粒子に作用する場.
 磁場:運動する荷電粒子に作用する場
 波長:λ,波の山と山の距離.
 周波数: v 変位が元に戻る1秒あたりの回数
 波数:波長の逆数
 電磁スペクトル:周波数単位で表した電磁界の範囲

簡単な原理で、一見複雑なものが再現できるといえば、こんなのがあります。
少数の原理だけで動かした昆虫ロボットは、驚くほど現実の虫の群れと似た行動をするそうです。
同じようなことが、「因果的動的単体分割」という理論から作られるモデルで起きるというのです。

どのように4次元時空は形づくられ、私たちの世界の舞台となったのだろうか?

著者たちは量子論と一般相対性理論の統一の失敗の原因を探すうちに、重要なポイントにたどり着いた。
それは、「宇宙には因果律が備わっている」というもの。
因果律とは原因と結果が決まった順序で起こるという原理で,一般相相対性理論に不可欠なもの。
因果的構造を組み入れて改めてシミュレーションしたところ、果たして4次元時空ができあがった。
この時空は大きなスケールでみると、見事に一般相対性理論の重力方程式の解の1つ「ド・ジッター宇宙」だった。
しかも、シミュレーションの詳細を少々変えても結果がほとんど変わらず、普遍性を備えている。

ド・ジッター宇宙(De Sitter universe)のド・ジッターとは、ライデン天文台の台長をつとめたオランダの天文学者ウィレム・ド・ジッターのことです。
ド・ジッターが解いた、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論の重力場方程式の解です。
アインシュタインの一般相対性理論の重力場方程式の、3つの解のうちの1つです。
ド・ジッターの名をとってド・ジッター宇宙と呼ばれるようになったです。

ド・ジッター宇宙の示す宇宙とは、密度と圧力がともにゼロで、宇宙項が正の値をとる宇宙です。
宇宙項には、宇宙定数と呼ばれる定数が入っています。
宇宙項は、万有引力に対抗する斥力である「万有斥力」を表します。
最初の式では、万有引力で宇宙がつぶれるので、宇宙項を加えて作り変えたです。
宇宙項が正の値ということは、ド・ジッターの解ではアインシュタインが考えたとおりの斥力があるということです。

つまり、宇宙は万有引力と万有斥力が支えているかもしれないというのです。
まるで、電気のプラスとマイナス、磁気のS極とN極のように、重力に引力と斥力があるといっているようなものなのです。

この模型では、宇宙は空間的に平坦であり、普通の物質を無視し、そして宇宙の力学は宇宙定数により支配されています。
この宇宙定数は、ダークエネルギーに相当すると考えられています。

ダークエネルギーとは、実質的に「反発する重力」としての効果を及ぼしている仮想的なエネルギーのことです。
宇宙全体に広がって、引力に対して反対方向に働く力とされます。
引力の方向を正の圧力とすれば、斥力の方向は負の圧力と呼ばれます。

その時空は、非常に小さなスケールではどのようにみえるのだろうか?

では、量子論が重要になる小さなスケールはどうなっているだろうか?
なんと、時空を“顕微鏡”で拡大していくと、次元が連続的に変化するのだという。
このことは、時空が時空の“原子”のような基本単位が集まってできたものではなく、無限に同じ構造を繰り返す“退屈のきわみ”でできていることを示唆しているかもしれない。

これは数学のフラクタル理論によって作られる、全体と部分が相似形になるモデルが適応できるかもしれないということです。
樹木は全体の形と、個別の枝の形が相似形になるような姿が、フラクタルのモデルの例えとしてよく使われます。
つまり、時空は入れ子構造のように、似通った姿が繰り返し現れるかもしれないというのです。

ちなみに、わたしもアインシュタインの時空歪みによる重力モデルは必然的に斥力が出現すると、かなり以前から思っていたのです。

おそらく今回の記事に出たモデルは、万有引力と万有斥力が等しい大きさであると、今後展開せざるを得ないなのかも。

 この理論、宇宙は生命体のようなものといってるように感じられます。

宇宙って言うか、時空そのものに生命に似た性質があるように見えるのは面白いですね。

 この理論は、生命の階層性についての解釈に大きな影響を与える可能性があるでしょうねえ。

ええ、まさに宇宙に無限階層を認めるモデルといえるかもです。
唯物弁証法や、数学のフラクタル理論、カッバーラの生命の樹の指摘する、階層的世界観に通じるモデルに思えます。
ちなみに、カッバーラの生命の樹は、上にも下にも、無限につながると見られているのです。

 基礎的なことですが、一般相対性理論には微分積分が使われています。
 微分積分って大前提があるんですよね。
 それは空間は、いくら微細に分割しても性質を変えないという大前提がある訳ですよ。

数学には、飛躍を扱うカタストロフィー理論というのがあるのです。 
一般相対性理論と量子論の統一問題は、一般相対性理論にカタストロフィー理論を導入する問題と見てもいいのかもしれないです。
 
 量子力学では、空間は微細になると性質がかわるというわけですよね。
 この2つの理論の融合という概念自身が、破綻しているのでしょうかねえ。

一般相対性理論と量子論の2つの理論の融合という概念自身は、破綻はしていないと思います。
この一般相対性理論と量子論によって生まれる理論は、科学に新しい展開をもたらす弁証法的な飛躍となるのかも。

 虫ロボットの例とか出ると、少し分かったような~。。。
 物質の外部に、操作するものがあるのですか?

虫ロボットの動きは、簡単な原理のプログラミングで制御されているそうです。
それでいて、まるで生きている虫たちのような行動をするといいます。

今回紹介した理論も、簡単な原理から現実の時空-私たちの住んでいる空間と思ってもらっても良い-が再現できるというところが、虫ロボットの動きの再現と似てるのです。

 私たちの命って、時空のようなミクロの世界に由来してるのでしょうか。

どうなのでしょ。
まるで、生き物のようなところがミクロの世界にあるから、それがたくさん集まって複雑に組み合わさってくると、私たちのような生命ができるのかって思ったら、奇妙な気分になりますねぇ。

この、「因果的動的単体分割」という理論に注目したのは、世界はエネルギーから生まれ、エネルギーとともに展開し、エネルギーに帰っていくという、解釈ができそうだからなのです。

言い換えれば、世界は光から生まれ、光とともに展開し、光に帰っていくという、解釈ができそうだからなのです。

 光あれ、すると光があった。

この場面から始まる創世記を、思い出しちゃったのです。

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