アカトビが獲物を探すときによくするように空高く舞い上がり、既知の、そしてまだ知られていないすべてのものの領域を見下ろすことができれば、非常に興味深いものを見ることができるでしょう。これまでのところ、ほぼ完全に無視されています。これらのことは、日常のレベルと物理学の最も基本的な現象のレベルの両方で、物理的現実を理解する上で中心的なものですが、基本的な科学的説明に組み込むことは伝統的に不可能であると見なされてきました.それらは、何が「現実」であるかではなく、何があり得るか、何がなり得ないかについての事実です。それらを実際のものと区別するために、それらは反事実と呼ばれます。
将来の宇宙ミッションで別の太陽系の遠い惑星を訪れ、ウィリアム・ブレイクの詩などの重要な版が入ったステンレス製の箱をそこに置いてきたとします。詩集がその後その惑星のどこかに置かれているということは、その事実上の財産です。その中の単語が読めるということは反事実の性質であり、その単語が誰かに読まれるかどうかに関係なく真実です。ボックスが見つからない場合があります。それでも、それらの言葉を読むことができるということは依然として真実であり、重要性を含んでいます。たとえば、ある文明がこの惑星を訪れたことや、その洗練度について多くのことを意味します。
反事実の特性の重要性と、実際の特性との違いをさらに理解するには、ディスプレイにゼロの文字列を生成するようにプログラムされたコンピューターを想像してください。それは、コンピューターの実際の状態、つまりあるがままの状態に関係する、コンピューターの事実上の特性です。他の文字列を出力するように再プログラムできるという事実は、コンピューターの事実に反する特性です。コンピュータは決してそのようにプログラムされていないかもしれません。しかし、それが可能であるという事実は、それについての本質的な事実であり、それがなければコンピュータとしての資格はありません.
科学と物理学にとって重要であり、これまで無視されてきた反事実は、物理システムに発生させることができた、または発生させることができなかったものに関する事実です。可能か不可能かについて。それらは、宇宙のすべてのシステムを支配する規則である物理法則の本質的な特徴を表しているため、基本的なものです。たとえば、物理法則によって課せられる反事実の性質は、永久運動機械を構築することは不可能であるということです。永久運動機械は、一度動き出すと永久に動く単なる物体ではありません。また、何らかの有用な種類の運動を生成する必要があります。もしこの装置が存在するなら、エネルギーがないところからエネルギーを生み出すでしょう。これを利用して、燃料を一切使わずに車を永遠に走らせることができます。エネルギー供給を枯渇させることなく、エネルギーのないものをエネルギーのあるものに変える一連の変換は、私たちの宇宙では不可能です.物理学者がエネルギー保存の原則と呼ぶ基本的な法則のために、それを実現することはできません.
熱力学の中心となる物理システムのもう 1 つの重要な反事実的特性は、蒸気エンジンが可能であるということです。蒸気エンジンは、ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換する装置であり、エネルギー保存の原則に違反することなく、ピストンを動かすなどの有用なタスクを実行できます。実際の蒸気機関 (これまでに製造されたもの) は、私たちの宇宙の事実上の特性です。最初の蒸気機関が実際に建造されるずっと前から存在していた蒸気機関を建造する可能性は事実に反する.
したがって、物理学で発生する基本的なタイプの反事実には 2 つの種類があります。もう 1 つは、変換を実行する可能性です (例:蒸気エンジンの構築)。どちらも物理法則の重要な特性です。そして、とりわけ、それらは私たちの努力に重要な意味を持っています。私たちがどれほど懸命に努力したり、どれほど巧妙に考えたりしても、物理法則が不可能であると宣言する変換をもたらすことはできません.しかし、十分に考えることで、可能な変換を実行するためのより多くのより良い方法を考え出すことができます。たとえば、蒸気エンジンを構築する方法は、時間の経過とともに改善される可能性があります。
一般的な科学的世界観では、物理システムの反事実的特性は不当に二流市民とみなされるか、完全に除外されることさえあります。なんで？それは、逆説的に、私自身の専門分野である理論物理学に端を発する深い誤解によるものです。誤解は、物質世界に存在するすべてのものと、そこに何が起こるか、つまり実際のものすべてを特定したら、説明できることはすべて説明したことになるというものです。それは疑いの余地がないように聞こえますか？そうかもしれません。根拠のない多くの実質的な仮定を飲み込んでしまったことに気づかずに、このような考え方に陥りがちです。特定の時間に実行している計算を特定するだけでは、コンピューターが何であるかを説明することはできません。可能な方法でプログラムされている場合、実行できる計算が何であるかを説明する必要があります。より一般的に言えば、実際の難破という観点からのみ、海賊船に救命ボートが乗っていることを説明することはできません。難破が起こる可能性があるため、救命ボートがそこにあることは誰もが知っています (反事実の説明)。たとえ船が沈まなかったとしても、それが理由でしょう!
反事実を基本的ではないと見なしているにもかかわらず、科学は急速かつ絶え間ない進歩を遂げています。たとえば、量子論やアインシュタインの一般相対性理論など、基礎物理学の新しい強力な理論を開発することによって。そして、遺伝学と分子生物学を含む生物学、および神経科学における新しい説明。しかし、特定の地域では、もはやそうではありません。科学におけるすべての基本的な説明は、反事実をほとんどまたはまったく参照せずに、起こったことの観点からのみ表現されなければならないという仮定は、現在、進歩の妨げになっています.
私たちの宇宙で最も珍しく重要な特性の 1 つであるレジリエンスについて考えてみましょう。私たちの宇宙のほとんどのものは非永続的です。岩は容赦なく摩耗します。本のページが破れて黄色くなる。バクテリアからゾウ、人間に至るまで、生物は年を取り、死んでいきます。注目すべき例外は、電子、クォーク、その他の基本粒子など、物質の基本構成要素です。それらが構成するシステムは変化しますが、それらの基本的な構成要素は変更されません。永続性と非永続性の両方に完全に責任があるのは、物理法則です。彼らは、私たちの宇宙のすべてに手ごわい制約を課しています:これまでに起こったことすべてと、将来起こるすべてのことです.
物理法則は、惑星が軌道上でどのように動くかを定めています。それらは宇宙の膨張、私たちの脳とコンピューターの電流を支配します。それらはまた、細菌やウイルスの内部の働きを制御します。雲は空にある;海の波。私たちの惑星の輝く内部にある液体の溶けた岩石。彼らの支配は、宇宙で実際に起こっていることを超えて、実現できることとできないことを網羅しています。物理法則が禁じていることは、どんなに実現しようとしても実現できません。粒子を光速より速くするような機械は作れません.
物理法則は、物事が非永続的であるという自然な傾向の主要な説明です。無常の理由は、物理法則が素成分以外のものを保存するのに特に適していないからです。それらは、それらの特定の特別な集合体を保持するために特別に作成または設計されることなく、物質の原始構成要素に適用されます。電子と陽子は互いに引き合います。これは基本的な相互作用です。この単純な事実は、私たちの体の複雑な化学の基礎ですが、その複雑さの痕跡は物理法則には見られません.私たちの宇宙の法則のような、基本的なものを除いて、特に何かを保存するために特別に設計または調整されていない物理法則を、私は無設計法則と呼びます。無設計法の下では、岩石などの原子の複雑な集合体は、周囲との相互作用によって絶えず変化し、構造に継続的な小さな変化を引き起こします。
構造を維持するという観点から見ると、これらの相互作用のほとんどは、小さなグリッチの形でエラーを引き起こし、時間の経過とともに複雑な構造が破損する原因となります。これらのエラーを防止および修正するために何かが介入しない限り、構造は最終的に消え去るか崩壊します。システムが複雑で基本的なものとは異なるほど、エラーに対処してそれを維持することが難しくなります。手写しで写本を保存する古代の習慣を考えてみてください。原稿が長くて複雑であるほど、コピー中にエラーが発生する可能性が高くなり、たとえば、書き終わった後に各単語を再確認するなど、筆記者がエラーに対処するのが難しくなります.
物理法則が設計されていないことを考えると、システムがそれ自体を (そうでなければ変化する環境で) 存在し続ける能力は、私たちの宇宙ではまれで注目に値する特性です。それが私がレジリエンスと呼んでいるものです。回復力を手に入れるのが非常に難しいということは、長い間、自然の残酷な事実と考えられてきました。これについて、多くの詩人や作家が辞任した失望を表明してきました.これは、シェイクスピアのテンペストでのプロスペロの演説からの荘厳な例です。 :
私たちの歓喜は今終わりました。これらの私たちの俳優
(私があなたに予告したように) すべての霊であり、
溶けて空気に、薄い空気に、
そして、このビジョンの根拠のない布地のように、
雲に覆われた塔、豪華な宮殿、
荘厳な神殿、偉大な地球そのもの、
そうです、それが受け継ぐものはすべて溶解し、
そして、この実体のないページェントのように色あせた
置き去りにしないでください。私たちはそのようなものです
夢が叶うように。そして私たちの小さな命
眠りで丸められます。
さて、それらのセリフはとても楽しい形とリズムを持っているので、最初に読んだだけで何か重要なことに気付かないかもしれません.彼らは、現実についての基本的な事実を無視した、狭くて一方的な見方しか提示していません。これらの他の事実を考慮に入れると、プロスペロの悲観的な口調と結論が見当違いであることがわかります。しかし、これらの事実はすぐには明らかになりません。それらを見るためには、私たちの宇宙で自然に起こること以上のものを熟考する必要があります (無常、時折の回復力、惑星、都市の雲に覆われた塔など)。何が起こり、何が起こらないかを考えなければなりません。それは、最終的には物理法則によって決定される反事実です。
プロスペロの演説が無視している最も重要な要素は、ノーデザイン法の下でもレジリエンスを達成できるということです。法律はそのように設計されていないため、それが達成されるという保証はありません。しかし、物理法則がそれを禁じていないので、それは達成できます。これをすぐに確認する方法は、シェイクスピアの時代よりももう少し注意深く見回すことです。確かに、ある程度回復力のあるエンティティがあります。さらに重要なことは、他のものより回復力のあるものもあります。それらのいくつかは非常に多く。これらは、ことわざや社会通念が示唆するものとは反対に、岩や石ではなく、生命体です。
一般的に生物は、岩石などよりもはるかに回復力に優れています。怪我をした動物はしばしば自分で修復できますが、岩は修復できません。個々の動物は最終的に死にますが、その種は岩よりもはるかに長く生き残る可能性があります.
細菌を考えてみましょう。それらは、地球上で 30 億年以上にわたってほとんど変化していません (進化もしています!)。より正確には、ほとんど変更されていないのは、すべての細菌細胞に存在する基本成分から細菌を生成する方法をコード化する特定の一連の命令、つまりレシピです。そのレシピは、あらゆる細胞のコア部分である DNA 分子に具体化されています。それは、4 つの異なる種類の一連の化学物質です。この文字列は、4 文字のアルファベットで構成される長い一連の単語とまったく同じように機能します。各単語は、レシピの指示にほぼ対応しています。これらの基本命令のグループは、生物学者によって遺伝子と呼ばれます。
これほど長い間ほぼ同じままであったのは、細菌の DNA の特定の構造またはパターンです。対照的に、同じ時期に、地球上の岩石の配置と構造は大きく変化しました。地球の地殻の下で起こっている内部の動きによって、大陸全体が再編成されています。何人かの異星人が先史時代の初期に地球に着陸し、特定の生物 (藍藻類など) から DNA を収集し、宇宙から地球の写真を撮ったとします。そして、彼らは同じことをするために今戻ってくることになっていました。惑星の写真では、すべてが変わっていたでしょう。大陸と海の配置そのものがまったく異なるでしょう。しかし、それらの生物の DNA の構造はほとんど変化しません。結局のところ、DNA にコード化されたレシピなど、私たちの宇宙の特定のものは、かなりの回復力を達成することができます.
プロスペロの演説が無視しているもう 1 つの要素は、生物が環境に作用し、それを変換し、(重要なことに) 何度も何度もそうする能力を維持できるということです。地球には、10 億年前からのバクテリア活動の痕跡がまだ残っています (たとえば、化石炭素の形で)。植物は、光合成によって太陽の光を化学エネルギーに変換する副作用として気体酸素を放出することにより、大気の組成に劇的な変化をもたらしました。人間も、さまざまな条件で環境を変えることができます。プロスペロの見解とは反対に、宮殿、寺院、雲を頂に抱く塔は、文明の産物であるため、回復力を得ることができます。人間は、それらが最初にどのように構築されたかの青写真、またはレシピに従うことでそれらを復元することができ、構成材料よりもはるかに長く耐えることが保証されます.原則として、このようなレシピを備えた 3D プリンターは、たまたま完全に破壊された古代の宮殿をゼロから再構築できます。
人間の寿命はまだ制限されているかもしれませんが、テクノロジーはすでに私たちの祖先の寿命をはるかに超えています.自然に発生する環境を変えることによって、人類の文明は一時的に改善され、成長しています。私たちは今、暖かい（または冷やされた）家、強力な薬、地球上、さらには宇宙への効率的な輸送手段、労働力を節約し、寿命を延ばし、より楽しくするためのツールを生み出す知識を持っています.私たちは芸術と文学、音楽、そして科学の壮大な作品を持っています。プロスペロの演説のまさにその言葉は、私たちの文学的遺産の一例であり、人間の知的活動の無数の他の驚くべき成果とともに生き残っています。ですから、私たちが立ち上げ、私たちを支えているこのページェントは、消え去るのではなく、何世紀にもわたって進行しています。地球上の残りの生命のショーは、何十億年もの間、さらに長く続いてきました.
もちろん、私たちの文明の回復力は、私たちが前進しようとするときに発生する深刻な問題によって常に脅かされています.地球温暖化や急速に拡大するパンデミックなどのいくつかは、実際には、私が説明したまさにその進歩の副産物です.これらの問題はかなりの課題を提示し、私たちが達成した進歩のいくつかの側面を簡単に消し去る可能性があります.
しかし、それらの問題がどれほど深刻に見えても、それらの問題を解決するための措置を講じることは可能です。そして物理法則は、さらなる改善を禁じていません。改善や解決を保証するものではありませんが、禁止するものでもありません。気候危機などの問題に対処することで、回復力とさらなる進歩はどちらも可能です。反事実として表現される物理法則は、改善の機会を提供します。何が起こるかに加えて、宇宙で何が可能かを熟考することで、物理世界のより完全な全体像が得られます。プロスペロの悲観的な結論は部分的であり、ひどく見当違いです。それは非現実的な悪夢に他なりませんでした.
キアラ・マルレットはの作者です できることとできないことの科学:反事実の国をめぐる物理学者の旅。 彼女はオックスフォード大学ウルフソン カレッジの研究員です。彼女はオックスフォード大学とトリノ大学で学位を取得しています。彼女の主な研究対象は理論物理学であり、理論生物学、認識論、イタリア文学にも関心を持っています。
から The Science of Can and Can’t Chiara Marletto 著。Penguin Random House, LLC の一部門である Penguin Publishing Group のインプリントである Viking から出版されています。著作権 © 2021 by Chiara Marletto.
リード画像:MJgraphics / Shutterstock
この記事は、2021 年 6 月の「隠された真実」号で初めてオンラインで公開されました。
