物理学では、単純で幅広い理論が好きです。 「単純」とは、物理学者は通常、可能な限り少数の仮定に基づく数学的理論を意味します。 「広範な」とは、明らかに関連していなくても、幅広いクラスの現象を説明できる理論を意味します。典型的な例は、アインシュタインの一般相対性理論です。いくつかの単純な原則に基づいて、この (および任意の) 太陽系の惑星軌道、ブラック ホール、重力波、および宇宙の膨張をうまく説明しています。
理論が単純で範囲が広い場合、物理学者はそれらを「美しい」と呼びます。ノーベル賞受賞者のスティーブン・ワインバーグとフランク・ウィルチェクは、そのような理論をモーツァルトの音楽作品、見事で完璧な構成と比較しました。同様に、美しい理論には数学的整合性があり、自然についての深い何か、一種の隠された創造のコードを明らかにしているように見えます。非常に大きなものから非常に小さなものまで、宇宙には多くの層があり、それぞれが独自の数学的記述に基づいて構築されています。これらはより大きな構成要素の一部ではなく、すべての自然に共鳴する単一の統一的な旋律ではありませんか?
最終的な理論、つまり物理的現実の多くの層を 1 つの数学的全体性に織り込む理論を追求する人たちに希望を与えてください。これは究極のプラトンの夢、単一の単純で広範な物理学理論の探求と呼ぶことができます。実際、過去 40 年間、そのような理論の探求は、世界で最も優秀な物理学者の多くに影響を与えてきました。しかし今日、実験的検証の欠如と、複数の宇宙の可能性とそれらが提起する厄介な問題を含むいくつかの理論的障害のために、自然を数学化するというこのプラトニックな推力の限界が見えています.
統一探求の現代版はひも理論であり、自然界の基本的な存在は物質の点のような粒子ではなく、振動するエネルギーのチューブであると仮定しています。バイオリンの弦の異なる振動周波数が異なる音に対応するように、異なる振動モードは私たちが観察する異なる粒子に対応します。私が 1980 年代半ばに理論物理学に加わったとき、壮大な仕事は、弦理論に対する唯一の解決策を見つけることでした。それは、すべての粒子と力を備えた私たちの宇宙です。私たちは、成功はすぐそこまで来ていると信じていました。自然は実際、10 次元の時空の数学的コードであり、9 つは空間、1 つは時間であると信じていました。理想的には、6 つの隠れた空間次元によって、私たちが共通の 3 つの次元で観察する物理現象が決定されるでしょう。それらを別のものにひねると、宇宙は異なります。魅力はソリューションの独自性でした。余分な次元の 1 つのジオメトリがあり、このジオメトリがすべてを教えてくれます。これほど単純で幅広い理論はありません。これほど美しい理論はありません。
残念ながら、それは意図されたものではありませんでした。 30 年早送りすると、シナリオは劇的に変化しました。物理学者は、単一の解ではなく、膨大な数の解を発見してショックを受けました。ある推定によると、1 の後に 500 のゼロが続き、それぞれが異次元空間で異なるひねりを加え、それぞれが異なる宇宙を生成します。おそらく、これらのそれぞれには、自然の物理的特性を決定する電子の質量と電荷、重力の強さなどの数値という独自の基本定数のセットがあります。膨大な数の可能性の中で、私たちの宇宙はどこにあるのでしょうか?そのような定数をごくわずかに微調整した場合、生命は不可能になることを知っています。私たちはここにいないでしょう.言い換えれば、私たちは他のどこにも住むことができなかったので、私たちが住んでいる場所に住んでいます。私たちの宇宙は、私たちの存在を可能にする数少ない宇宙の1つです.確かにそうですが、科学的な議論として、これはほとんど役に立ちません。さらに悪いことに、それはトートロジカルに聞こえます。ひも理論は、私たちの宇宙の一意性を数学的に証明する理論から、数え切れないほどの数の可能な宇宙を可能にする理論へと変化し、他に勝るものはありません。
私たちは、この危機的状況に至るまでの考え方を再考する必要があります。この問題は、より深い哲学的問題、第一原因の問題に根ざしています。明確な始まりと終わりを持ち、時間の経過に没頭する生き物である人間は、最初の条件に永遠に唖然としてきました。何もないところからどうやって何かが生まれるのでしょうか?そして、最初にこの何かのプロパティ (「基本定数の値」と読む) を設定するものは何ですか?誰がそれを注文したのですか？誰が私たちを注文したのですか?
私たちの間違いは、科学的な文脈の中で、これらの質問をするのは間違っているということです.
物理学は非常に明確な枠組みの下で機能します。システムの時間発展を決定するために、その初期条件、つまり時間ゼロでのシステムの状態を述べる必要があります。これは、最初にシステムの知識を意味し、測定を通じて得られるものです。宇宙論では、それは不可能になります。今日の宇宙について私たちが知っていることを考えると、初期条件と基本定数の値を制限することはできますが、私たちの結論が最終的なものであるとは確信できません。宇宙の遠い過去について今日私たちが集めた手がかりは、何が起こったかの断片的な全体像を私たちに与えることしかできません.多元宇宙は、初期条件の問題を解決することなく、より高いレベルに押し上げるだけです。
宇宙の初期条件を明確に決定しようとする理論はどれも、基本的な定数の値も含めて、物理学ではできないことを行っています。それでは、これらの定数の値をそのまま受け入れなければならないのでしょうか?現在の枠組みの中で、はい。この問題を回避する試みは、刺激的であっても、周転円以上のものにはなりません.
しかし、すべてが失われるわけではありません。単純で包括的な理論の探求は、物理学の性質についてのより永続的な洞察を覆い隠しました。物理学とは、自然現象の絶え間なく変化する自己修正記述の構築です。その実践では、現実の性質についての形而上学的な期待を脇に置きます。これは、自然が実際にどのように機能するかよりも、人間としての意味をどのように検索するかに関係しています。言い換えれば、物理学は知的謙虚さの表現です。私たちは無知と共に生きることを学び、その見返りに、徐々に進歩する能力を獲得します.
ですから、現在の物理法則の一見恣意性を受け入れて、シンプルは美しく、美は真実であるという美的教義を超えて生きても問題ありません。物理学が説明の記述的なモードとして理解され、統一的な探求から解放された場合、すべてを知らないという不安は取り除かれます。おそらく、私たちの現在のジレンマは、物理理論の方法論的性質の深い変化という、より大きな何かの兆候なのかもしれません。第一原因の説明や時代を超越した真実を無益な追求として脇に置き、それらを歴史的に見ていく必要があるかもしれません。おそらく、物理理論の性質は、物理的現実に対する私たちの不完全で不完全な把握の断片的かつ段階的な創造物である独自の物語の構築を反映しています。そして、それは何も悪いことではありません.
Marcelo Gleiser は、自然哲学の Appleton 教授であり、ダートマス大学の学際的関与研究所の所長です。彼の研究は、場の量子論とその宇宙論への応用に焦点を当てています。彼の最新の本はです 予想外のシンプルな美しさ:自然哲学者のトラウトの探求とすべての意味. Twitter @MGleiser で彼をフォローしてください。
視聴:単一宇宙の教義が創造論に似ている理由について、理論宇宙学者 Laura Mersini-Houghton が説明します。
この記事はもともとに掲載されました Nautilus Cosmos、2017 年 1 月。
