エイリアンが私たちの惑星に着陸し、現在の科学的知識を学びたいとします。 40 年前のドキュメンタリー Powers of Ten から始めます . 確かに少し時代遅れですが、この短編映画は有名なデザイナー カップル、チャールズ イームズとレイ イームズが脚本と監督を務め、10 分足らずで宇宙の全体像をとらえています。
スクリプトはシンプルでエレガントです。映画が始まると、シカゴの公園でピクニックをしているカップルが見えます。次に、カメラがズームアウトします。 10 秒ごとに、視野は 10 の倍率 (幅 10 メートルから 100 メートル、1,000 メートル以上) に増加します。ゆっくりと全体像が見えてきます。都市、大陸、地球、太陽系、近隣の星々、天の川、そして宇宙の最大の構造物まで見えます。その後、映画の後半では、カメラがズームインして最小の構造を掘り下げ、ますます微視的な詳細を明らかにします。私たちは人間の手の中を旅し、細胞、DNA 分子の二重らせん、原子、原子核、そして最後に陽子の中で振動する素クォークを発見します。
この映画は、大宇宙と小宇宙の驚くべき美しさを捉えており、基礎科学の課題を伝えるための完璧なクリフハンガー エンディングを提供しています。当時 8 歳だった息子が初めて見たとき、「どうやって続いているの？」と尋ねました。丁度！次のシーケンスを理解することは、宇宙の最大および最小構造の理解のフロンティアを押し進めている科学者の目的です。最後に、パパが仕事で何をしているか説明できました!
10 の累乗 また、長さ、時間、エネルギーのさまざまなスケールを横断する一方で、さまざまな知識の領域を旅することも教えてくれます。心理学は人間の行動を研究し、進化生物学は生態系を研究し、天体物理学は惑星と星を研究し、宇宙論は宇宙全体に集中します。同様に、内側に移動すると、生物学、生化学、原子物理学、核物理学、素粒子物理学の主題をナビゲートします。グランドキャニオンに見られる地層のように、科学分野は地層で形成されているかのようです。
ある層から別の層に移動すると、出現と還元主義の例が見られます。これら2つは、現代科学の包括的な組織化原則です。ズームアウトすると、個々の構成要素の複雑な動作から新しいパターンが「出現」することがわかります。生化学反応は、衆生を生み出します。個々の生物は生態系に集まります。何千億もの星が集まって壮大な銀河の渦を形成しています。
逆転して微視的に見ると、還元主義が働いていることがわかります。複雑なパターンは、根底にある単純なビットに分解されます。生命は、DNA、RNA、タンパク質、その他の有機分子間の反応に還元されます。化学の複雑さは、量子力学的原子のエレガントな美しさへとフラット化されます。そして最後に、素粒子物理学の標準モデルは、物質と放射線のすべての既知の構成要素を、わずか 4 つの力と 17 の素粒子で捉えます。
還元主義と創発という 2 つの科学的原則のうち、どちらがより強力ですか?伝統的な素粒子物理学者は、還元主義を主張するでしょう。複雑な物質を研究する物性物理学者の出現。ノーベル賞受賞者 (および素粒子物理学者) の David Gross が明確に述べているように:自然のどこに美しさを見出し、どこにごみを見つけますか?
私たちの周りの現実の複雑さを見てみましょう。従来、素粒子物理学者は、一握りの粒子とその相互作用を使用して自然を説明してきました。しかし、物性物理学者は次のように尋ねています。毎日のコップ一杯の水はどうですか?その表面のさざ波を、約 10 の個々の水分子の運動の観点から説明するのは愚かなことです。伝統的な素粒子物理学者が直面する小さなスケールでの不可解な複雑さ (「ゴミ」) の代わりに、凝縮物質物理学者は、流体力学と熱力学の「美」である創発法則を使用します。実際、分子の数を無限大 (還元主義者の観点から見れば最大のゴミに相当) にすると、これらの自然法則は明確な数学的ステートメントになります。
多くの科学者が過去数世紀の驚異的な成功を収めた還元主義的アプローチを称賛する一方で、影響力のあるプリンストン大学の物理学者であり、核物理学からブラック ホールまでのトピックに触れたジョン ウィーラーは、興味深い代替案を表明しました。 「すべての物理法則は、極限まで押し進められたものであり、統計的かつ近似的であり、数学的に完全でも正確でもないことが判明するでしょう」と彼は言いました。ホイーラーは、創発法則の重要な特徴を指摘しました:それらの近似的な性質は、将来の進化に対応できる一定の柔軟性を可能にします.
多くの点で、熱力学は多数の微視的詳細に関係なく、多数の粒子の集団的挙動を記述する創発法則のゴールド スタンダードです。簡潔な数式で驚くほど幅広い種類の現象を捉えています。法則は非常に普遍的であり、実際、物質の原子基盤が確立される前に発見されました。そして、抜け穴はありません。たとえば、熱力学の第 2 法則は、システムのエントロピー (隠された微視的な情報の量の尺度) は常に時間とともに増加すると述べています。
現代の物理学は、物事がスケールする方法を捉えるための正確な言語を提供します:いわゆる繰り込み群です。この数学的形式主義により、小さなものから大きなものまで体系的に進むことができます。重要なステップは、平均を取ることです。たとえば、物質を構成する個々の原子の挙動を見る代わりに、小さな立方体、たとえば各辺に 10 個の原子の幅を取り、これらの立方体を新しいビルディング ブロックとして使用できます。その後、この平均化手順を繰り返すことができます。あたかも物理システムごとに個々の Powers of Tens を作成するかのようです
くりこみ理論は、観測が行われる長さスケールを大きくすると、物理システムの特性がどのように変化するかを詳細に説明します。有名な例は、量子相互作用によって増加または減少する粒子の電荷です。社会学的な例としては、個人の行動から始めて、さまざまな規模のグループの行動を理解することが挙げられます。群衆の中には知恵がありますか、それとも大衆は責任感の少ない行動をとっていますか?
最も興味深いのは、くりこみプロセスの 2 つのエンドポイント、つまり無限大と無限小です。ここでは、すべての詳細が洗い流されるか、環境が消えるため、通常は単純化されます。 Powers of Ten の 2 つのクリフハンガー エンディングで、このようなものが見られます。 宇宙の最大の構造も最小の構造も、驚くほど単純です。ここに、素粒子物理学と宇宙論の 2 つの「標準モデル」があります。
驚くべきことに、理論物理学における最も手ごわい課題 (重力の量子論を発展させるための推進力) に関する現代の洞察は、還元論的視点と創発的視点の両方を採用しています。摂動弦理論などの量子重力への伝統的なアプローチは、すべての粒子と力の完全に一貫した微視的記述を見つけようとします。そのような「最終理論」には、必然的に、重力場の素粒子であるグラビトンの理論が含まれます。たとえば、弦理論では、グラビトンは特定の方法で振動する弦から形成されます。ひも理論の初期の成功の 1 つは、そのような重力子の挙動を計算するスキームでした。
ただし、これは部分的な回答にすぎません。アインシュタインは、重力にははるかに広い範囲があることを教えてくれました。それは、空間と時間の構造に対処しています。量子力学的な記述では、空間と時間は超短距離と時間スケールで意味を失い、これらの基本的な概念に取って代わるものは何かという問題が生じます.
重力と量子論を組み合わせる補完的なアプローチは、1970 年代のブラック ホールの情報内容に関するジェイコブ ベケンシュタインとスティーブン ホーキングの画期的なアイデアから始まり、1990 年代後半のフアン マルダセナの独創的な研究によって生まれました。この定式化では、すべての粒子とその中の力を含む量子時空が、まったく異なる「ホログラフィック」記述から出現します。ホログラフィック システムは量子力学的ですが、明示的な形式の重力はありません。さらに、通常は空間次元が少なくなります。ただし、システムは、システムの大きさを測定する数値によって管理されます。その数を増やすと、古典的な重力系への近似がより正確になります。最終的に、空間と時間は、アインシュタインの一般相対性理論の方程式と共に、ホログラフィック システムから出てきます。このプロセスは、個々の分子の運動から熱力学の法則が現れる方法に似ています。
ある意味で、この演習は、アインシュタインが達成しようとしたこととは正反対です。彼の目的は、物理学を純粋な幾何学に還元して、空間と時間のダイナミクスからすべての自然の法則を構築することでした。彼にとって時空は、科学対象の無限のヒエラルキーにおける自然な「地表」、つまりグランドキャニオンの底でした。現在の視点では、時空は出発点ではなく終点であり、コップ一杯の水を支配する熱力学のように、量子情報の複雑さから現れる自然な構造であると考えています。おそらく、振り返ってみると、アインシュタインが最も好んだ 2 つの物理法則、熱力学と一般相対性理論が創発現象として共通の起源を持つことは偶然ではありませんでした。
いくつかの点で、この出現と還元主義の驚くべき融合により、両方の長所を楽しむことができます。物理学者にとって、美しさはスペクトルの両端にあります。
