さかのぼる 1665 ～ 1666 年の疫病の年に、アイザック ニュートンは万有引力の法則と微積分の数学を発見し、科学の世界を変えました。さて、2020 年から 2021 年にかけてのペストの年に、歴史は繰り返されようとしているのでしょうか?
Stephen Wolfram はそう考えています。米国に住む英国生まれの科学者は、物理学の基礎理論への道を見つけたと主張し、宇宙とは何かなどの最大の質問のいくつかに答えます。何時ですか？そして、宇宙はなぜ存在するのでしょうか?
「公平を期すために、多くの作業が 2019 年に行われ、2020 年 3 月にそれについて話し始めようとしていましたが、COVID のためにすべてがロックダウンされました」と Wolfram 氏は言います。 「しかし、物理学の基本理論の発見に向けて、私が大胆に信じていたよりも多くの進歩を遂げたと言っても過言ではありません。」
Wolfram の出発点は、「空間とは何か?」という質問でした。 「物理学者がこの質問をすることはめったにありません」と彼は言います。 「彼らは宇宙を、宇宙の出来事が繰り広げられる背景としか考えていません。」
Wolframによると、空間は互いに接続された「ノード」のネットワークで構成されています。接続の性質 - 各ノードが近くのノードと遠くのノードにどのようにリンクされているか - は、任意の次元のスペースを作成できます。したがって、球の表面積のように、任意のノードからの距離の 2 乗に応じてノードの数が増加する場合、ネットワークはおなじみの 3D 空間の特性を持ちます。
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「私は実際、宇宙は無数の次元から始まり、現在の 3 つの次元に徐々に冷めていったと信じています」と Wolfram は言います。 「しかし、正確に 3 つある理由はまだわかりません。」
Wolfram は、宇宙を作成するために必要な最小限の「もの」に関心があります。ノードのネットワークである「空間の原子」に加えて、ネットワークを変更する「ルール」という別の要素があります。したがって、たとえば、「特定のパターンのノードがある場合は、別の特定のパターンのノードに置き換える」というルールがあります。
「空間を結びつけるのは、そのような規則を何度も何度も適用すること、つまり空間ネットワークを継続的に更新することです」と Wolfram は言います。 「奇跡は、このプロセスが、宇宙のすべての物質と、過去 350 年間に発見されたすべての物理法則を生み出すことができることです。」
この驚くべき主張を検討する前に、Wolfram がどのようにしてこの点に到達したかを検討する価値があります。 1959 年にロンドンで生まれた彼は、15 歳で物理学の論文を発表していました。パサデナのカリフォルニア工科大学の大学院生として、戦後最も著名な米国の物理学者であるリチャード ファインマンと仕事をしました。しかし、Wolframにとって重要な出来事は、1981年に彼がコンピューターを使って単純なコンピュータープログラムの結果を調査したときに発見したことでした.
当時、彼が思いつく最も単純なコンピューター プログラムは、セル オートマトンでした。これらは 1 次元の四角形の線で、それぞれが空または塗りつぶされている可能性があります。正方形の特定のパターンを別のパターンに置き換える規則が適用されます。このようにして、正方形の新しいラインが作成されます。そして、もう一つの新しい行。などなど。
ほとんどの場合、Wolfram は興味深いことは何も起こらなかったことに気づきました。ただし、場合によっては、現実世界の亜原子粒子を連想させる、進化する細胞グリッドを横切って移動する永続的な機能がありました。しかし、大きな驚きは、終わりのない斬新さと複雑さを生み出すルールがいくつかあったことです。
これは Wolfram にとってひらめきの瞬間でした。通常、単純なプログラムには単純な出力があり、複雑なプログラムには複雑な出力があります。しかし Wolfram は、複雑な出力を持つ単純なプログラムを発見しました。彼は即座にこう考えました。単純なプログラムを何度も適用しているだけですか?」
2002 年、Wolfram は A New Kind Of Science を出版しました。 、1,000枚の白黒写真と50万語の1,200ページの本。その中で、とりわけ、彼は 1 次元セル オートマトンの 256 の可能なすべての規則の結果を調査しました。この本は、物理学コミュニティから敵意を持って迎えられました。部分的には、通常の査読プロセスを経ずに彼自身が出版したためです。しかし、別の理由は、他の物理学者が彼のアイデアを使用して有用なものを予測する方法を理解できなかったことです.
彼らにはポイントがありました。基本的に、ウルフラムは、宇宙が行っていることのほとんどは「計算上還元不可能」である、つまり、宇宙が存在してきた 138 億 2000 万年間コンピュータ プログラムを実行することによってのみ結果を発見できると述べていました。他の多くの物理学者にとって、それは非常に有益なことでした.
しかし、Wolframは、宇宙を生成する計算内には、実際にプログラムを実行しなくても結果を推測できる「計算上還元可能な」島があるとも言っていました。 「これらのショートカットは、私たちが発見した物理法則にほかなりません」と Wolfram は言います。
結局、Wolfram は A New Kind Of Science で提示したアイデアを追求しませんでした .一方では、物理学者からの要求はなかったと彼は言います。一方、コンピュータ言語 Mathematica やインテリジェント検索エンジン WolframAlpha などの彼のソフトウェアには需要があり、それが彼を億万長者にしました。したがって、彼は次の 20 年間を代わりにそれらの開発に費やしました。
しかし 2019 年、彼は何人かの若い物理学者に出会い、物理学の基本的な計算理論の探求を続けるように勧められました。そして、60 歳のとき、それは今しかありませんでした。
セル オートマトンの問題は、それらが既存のグリッド上で実行されることです。 Wolfram は、もっと単純で基本的なものが必要であることにすぐに気付きました。これが、彼が自己更新型宇宙ネットワークのアイデアを思いついた方法です。水中の渦のように、ネットワークには持続的な特徴があり、これらは物質です。結局のところ、すべては宇宙から発生します。他に何もありません。実際、それは完全に真実ではありません。もう一つあります。 「アインシュタイン以来、誰もが時間は空間と同じだと考えてきましたが、そうではありません」と Wolfram は言います。 「時間は、実際には段階的な計算のプロセスです。」
Wolfram の初期のアプローチの問題点の 1 つは、Universe を生成しているプログラムを見つけた場合 (彼は、それが彼自身のコンピューター言語 Mathematica の 4 行のコードにすぎない可能性があると信じていた場合)、疑問が生じることでした。このプログラムであり、別のプログラムではありませんか？したがってWolframは、宇宙は
同時に実行されている可能なすべてのプログラム
「一見すると、信じられないほど散らかっているように見えます。このことから、どうすれば有用なものが得られるでしょうか?」彼は言います。 「しかし奇跡は、現代物理学の 2 つの柱であるアインシュタインの重力理論 [一般相対性理論] と量子論を含め、すべてがそうであることです。」
重要なことは、私たちが宇宙を外から観察しているわけではないことを理解することです。それは不可能です。代わりに、私たちは、宇宙の全体的な自己更新型宇宙ネットワーク内の自己更新型宇宙ネットワークの一部です。私たちは実行できる計算の量が制限されているため、身の回りで行われている還元不可能な計算のほとんどを認識できないだけでなく、私たちの生物学によっても制限されています。見る。 「すべての可能なルールが実際に機能しているという事実にもかかわらず、私たちのサンプリングは、宇宙を生成する単一のルールを明らかにします」と Wolfram は言います。
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重要なことに、私たちの根本的な制限により、宇宙の原子を見ることができません。代わりに、滑らかな連続体を形成するためにそれらがリンクされていることがわかります。さらに、一般相対性理論によって記述される連続体です。アインシュタインの理論では、惑星のような質量は、時空を通る最短経路、つまり「測地線」に従います。時空は、エネルギー (厳密に言えば、エネルギー-運動量) の存在によって歪められます。 Wolfram によると、彼の写真のエネルギーは、ネットワーク内の任意の場所で進行している活動の量にすぎず、最終的に巨大な天体の測地線を曲げるのはこの計算です.
対照的に、量子論は原子とその構成要素の微視的な領域を記述し、一般相対性理論と根本的に互換性がないように見えることで有名です。具体的には、宇宙を通る唯一の道などというものはありません。アトムは複数のパスをたどることができ、それぞれに確率が関連付けられています。 Wolfram によると、この複数の履歴は彼のフレームワークに組み込まれています。これは、スペース ネットワークの一部が更新されるたびに、1 つのルールだけでなく複数の可能なルールによって更新される可能性があり、複数の履歴につながるためです。 「量子論は、標準物理学のようにボルトオンではありません」と彼は言います。
Wolfram はさらに先に進みます。彼は、これらの複数の歴史をすべてカプセル化する「枝の空間」を想像しています。そしてこれを可視化するには Mathematica のツールが必要であり、それが単なる人間だけでなく、他の物理学者が Wolfram についていくのが難しいと感じる理由の 1 つです。しかし、Wolframが主張する重要なことは、通常の空間でエネルギー運動量によって測地線が曲がる一般相対性理論は、鰓空間でエネルギー運動量によって測地線が曲がる量子論とまったく同じであるということです。 「一般相対性理論と量子論は基本的に同じ理論です！」彼は言います。 「こんなに素敵な結果が得られるとは思いませんでした。」
これは実に驚くべき結果です。主流の物理学では、ひも理論だけが一般相対性理論と量子論を統合する枠組みを提供しますが、それには大きな問題があります。特に、単一の宇宙ではなく、約 10,500 の宇宙の多元宇宙につながるという事実です。しかし、「ホログラフィック原理」として知られる強力なヒントがあり、量子論と一般相対性理論は密接に関連しており、量子論は高次元空間で一般相対性理論として現れます。 Wolfram は、彼の研究がこの関係を確認していると考えています。
エクス マルセイユ大学のカルロ ロヴェッリは、ひも理論のライバルである「ループ量子重力」に取り組んでいます。この理論は、ありえないほど小さなプランク スケールの時空が、複雑なシフト ネットワークに織り込まれた有限ループで構成されていることを示そうとしています。 . Wolframの研究とループ量子重力との間に何か関係はありますか? 「確かに、私は同じ質問について興味がありました!」ロヴェリは言います。
Wolfram の作品に魅力を感じる人もいます。 1 人はアルゼンチン系アメリカ人のグレゴリー チャイティンで、15 歳のときに数学の分野 (アルゴリズム情報理論) を発明しました。 「そして、はい、一般相対性理論や量子力学のようなものがかなり自然に出現します。」
Chaitin は Wolfram のアプローチの独創性を気に入っています。 「おもしろいのは、これが他の人がしていることと完全に直交していることです。これまで、弦理論は、このレベルで動作しようとする唯一のゲームでした。今、別のゲームがあります。」
Wolfram は、2002 年に経験した反応とは非常に異なる、彼の最新の研究に対する反応に励まされています。多くの若い物理学者が彼のセミナーに参加しており、年配の物理学者が学生を派遣していると彼は言います。彼はウェブ上で多くの開発をライブストリーミングしているので、人々は彼が何をしているのかを見ることができます. Wolfram は次のように述べています。 「『これは理解できない』とか『どんな現象を探すことができるか教えて』といった感じです。」
2002 年のように Wolfram も一人ではありません。 Chaitin は、これが重要であると考えています。 「スティーブンにしては珍しく、彼は共著者の功績を認める人さえいます」と彼は言います。しかし、現在と 2002 年の大きな違いの 1 つは、情報処理が宇宙の中心にあるという考えが、20 年前よりもはるかに主流になっていることです。ある意味で、Wolfram が行っていることは、受け入れられている物理学に反することではありません。彼は単に車のボンネットの下に潜入して、宇宙を生成する計算と、私たちが観測する物理法則の両方を明らかにしようとしているだけです.
Wolframの見解の1つの結果は、異なる生物学と異なる感覚を持つエイリアンが、宇宙を生成する計算の異なる部分を見て、量子論と一般相対性理論から異なる法則を導き出す可能性があるということです.実際、それらは私たちの感覚が単にサンプリングしていない宇宙ネットワークの一部に存在し、私たちには永遠に見えないかもしれません. 「私たちの視野は、高さ約 1 メートルの私たちのサイズと、時間の 1 つのスレッドを見たいという私たちの主張によって制限されています」と Wolfram は言います。 「しかし、地球ほどの大きさの生き物で、この主張がなければ、まったく違うものを見るでしょう。」
最終的には、Wolfram の計算宇宙を確認または反駁する新しい現象の予測になります。そして現時点ではこれらが不足しています。ただし、Wolfram は、観測予測を行う上で有益な場所を見つけます。たとえば、彼は次元数の異なる私たちの宇宙のドメインが存在する可能性があると考えています。特に、彼は、ブラック ホールが標準物理学で許容されるよりも速く回転できるのではないかと考えており、そうすることで、一般相対性理論では不可能な、時空全体の塊が壊れる可能性があります。
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なぜ宇宙があるのかという大きな疑問が残ります。ここでウルフラムは、数学が存在するのと同じ意味で宇宙が存在する可能性があると考えています。数学は、一連の与えられたもの、つまり「公理」と、論理規則を適用することによってそれらから導き出すことができる結果、つまり「定理」で構成されています。同様に、ユニバースは、具現化されていないノードのネットワークにすべての可能なルールを適用した論理的な結果にすぎません。 「1+1=2 が必然的に存在するのと同じように、それが存在することは必然的です」と彼は言います。
もちろん、私たちは宇宙を数学のような抽象的なものではなく、固体として体験しています。しかし、私たちも宇宙と同じものでできているため、仮想現実における仮想生物のように、すべてがしっかりとリアルに見えます.
Wolframが新しいニュートンであることが判明するかどうかにかかわらず、ペストの年は間違いなくWolframの強みに影響を与えました. 「私はいつも会社から離れて仕事をしてきました」と彼は言います。 「この昨年は私に合っています。」彼は、物理学の基礎理論を得るにはまだ長い道のりがあることを認めています。 「しかし、短期間でここまで進歩したことに驚いています」と彼は言います。 「これほどうまくいくとは想像もしていませんでした。」
- この記事は、BBC Science Focus Magazine の第 365 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら
