時間は「存在しない」のでしょうか？絶対空間と時間から「量子泡」へ

絶対空間と時間から量子泡まで

人類が宇宙を理解するための長い旅において、時間と空間は常に最も基本的な概念でした。私たちは時間と空間で構成された舞台に生きており、すべての出来事はこの舞台上で起こり、展開します。物理学の発展に伴い、時間と空間の性質と関係は常に再定義されています。この探究の旅は、ニュートンの絶対空間と時間から、アインシュタインの相対性理論、そして現代物理学の量子論と宇宙論へと続きます。量子フォームとは何ですか?なぜ士益公院士は「時間は存在しない」と言ったのでしょうか？一緒にこの神秘的な空間と時間の絵を解き明かしましょう。

絶対時空から相対時空へ

17 世紀に、ニュートンは時間と空間の古典的な概念を提唱しました。ニュートンの理論的枠組みでは、時間と空間は完全に独立しており絶対的です。時間は、あらゆる状況や立場において同じまま均一に流れる線のようなものです。空間は物体が自由に移動できる無限に広がる容器です。時間と空間は、物体や出来事の影響を受けない舞台であり、その上ですべての物理現象が発生します。この概念は古典物理学の基礎を築いただけでなく、宇宙は物体と力の相互作用によって動く巨大な時計のようなものだという宇宙の機械論的見解の中核を形成しました。

相対性理論が提唱される以前から、ニュートンの絶対時間と絶対空間の考え方は広く認識されており、特にニュートンは著書『自然哲学の数学的原理』の中で絶対時間と絶対空間の考え方を体系的に解説しました。ニュートンの力学システムでは、慣性システムは、絶対空間に対して直線上で静止しているか、一定の速度で動いている参照システムとして定義されます。ガリレオの相対性原理は、ニュートンの空間と時間に対する絶対的な見方の枠組みの中でさらに詳しく述べられ、発展しました。ガリレイ変換は、異なる慣性系間での空間と時間の変換を表し、異なる慣性系でも時間と空間のスケールは変化しないことを示します。言い換えれば、時間と空間が絶対的であるだけでなく、同時性も絶対的です。つまり、2 つのイベントが 1 つの慣性系で同時に発生するのが観測される場合、それらのイベントはすべての慣性系でも同時に発生するのが観測されます。

絶対空間の存在を証明するために、ニュートンは有名な物理学の実験であるニュートンバケツ実験を考案しました。これは、水がいっぱい入ったバケツがあるというものです。最初、バケツと水が静止しているときは、水面は平らです。バケツが回転し始めると、水がまだバケツと同期して回転していないため、水面は平らなままです。バケツの回転に合わせて水が徐々に回転すると、水面が凹状になります。バケツの回転が止まっても、水は回転し続け、表面は凹面のままになります。ニュートンは、水面の凹面形状は絶対空間に対する水の回転によって生じる慣性によるものだと信じ、これは水の運動状態が特定の絶対参照系に依存していることを示しており、絶対空間の存在を裏付けています。

図 ニュートンバケツ実験

19 世紀には、マクスウェルの電磁気学理論が再び物理学の発展を促進しました。彼は方程式の体系を通じて電気、磁気、光を統一した。しかし、当時の物理学界では、電磁波の伝播媒体としてエーテルが必要であると一般的に信じられていました。この理論には重要な問題がありました。地球がエーテル内で動いているとすると、風に逆らって歩くと速度が遅くなるのと同じように、地球の運動の方向で測定された光の速度は変化するはずでした。科学者たちは、マイケルソンとモーリーが検証しようとした出発点であるマイケルソン・モーリーの実験を通じて、地球とエーテルの相対運動を証明しようとしました。

1887 年、アメリカの物理学者アルバート・マイケルソンとエドワード・モーリーは、マイケルソン・モーリー実験として知られる高度な干渉実験を設計しました。実験装置は主に干渉計で構成されており、光線を地球の公転方向に沿った経路と、地球の移動方向に対して垂直な経路の 2 つの経路に分割します。 2つの経路に沿った光の経路長の差を比較することで、エーテルを通じた地球の動き、いわゆるエーテル風を検出しようとした。

エーテル仮説によれば、地球がエーテル中を移動すると、地球の移動方向に沿った光の速度は遅くなるが、垂直方向の光速度は変化しないはずである。この実験の考え方は、2つの光線が再結合すると干渉縞に一定の偏差が生じ、光の速度が地球の動きによって影響を受けることを示すというものです。しかし、実験結果はまったく予想外のものでした。2 つの光路間の光速に大きな差はなく、干渉縞は予想どおりに変化しませんでした。この結果は、地球が動いているかどうかに関係なく、光の速度は同じであるように見えることを示しています。しかし、実験結果は、光の速度は一定であり、地球の運動の方向とは無関係であることを示しています。この発見はガリレイ変換と矛盾していました。ガリレイ変換によれば、異なる慣性系における光の速度は相対運動によって変化するはずだからです。この矛盾において、マクスウェルの電磁気学理論は伝統的な古典力学に反対するものでした。

図 マイケルソン・モーリーのエーテル風実験

絶対的な時間と空間という従来の概念を完全に覆し、上記の矛盾を解決したアインシュタインの相対性理論が登場したのは、20 世紀初頭になってからでした。彼は、光の速度は一定であり、いかなる慣性系においても一定のままであると提唱し、それが相対性理論の核心となる原理となった。

アインシュタインは特殊相対性理論を通じて、時間と空間は独立しているのではなく、密接に関連しており、4次元の時空全体を構成していると指摘しました。宇宙における各物体の位置は、3次元空間座標だけでなく、時間座標によっても決まります。彼の理論では、時間と空間はもはや固定されていない。物体が光速に近づくと、観測者にとって時間は遅くなり、空間は収縮します。アインシュタインはこの枠組みを導入し、時間と空間に統一された性質を与えました。

前述したように、特殊相対性理論の中心的な仮定は光速度不変の原理、つまり真空中の光速度は観測者の速度に関係なく一定であるということです。この原理は、時間の遅れと長さの収縮という現象にとって極めて重要です。測定される光の速度は、観測者が光源に対して動いているかどうかに関係なく、常に同じです。

アインシュタインはまた、物理法則はすべての慣性基準系で同じであり、観測者の運動状態によって変化しないという相対性原理を提唱しました。相対性原理と光速度の不変性を組み合わせると、時間と空間が速度に応じて変化する理由が説明されます。この現象は、時間と空間が相対的であり、物体の運動状態に依存することを示しています。さらに一歩進んで、アインシュタインは一般相対性理論において重力の性質を明らかにしました。重力は物体間の引力ではなく、質量によって周囲の空間と時間が歪むことです。時空は、ぴんと張ったゴムの膜に例えることができます。大きな質量の物体をその上に置くと、ゴム膜が沈んでくぼみが形成され、他の小さな物体はこのくぼみに沿って大きな質量の中心に向かって滑ります。

量子泡

相対性理論におけるこれまでの説明によれば、これは滑らかで連続した 4 次元構造であり、天体の動きを記述できるだけでなく、マクロ空間内の物体の動きにも適用できると考えられています。しかし、量子力学の発達により、科学者たちは、微視的スケールの量子の世界では、空間と時間の性質が私たちが想像していたよりもはるかに複雑で神秘的であることを発見しました。

量子力学の中心的な概念の 1 つは、粒子の速度と位置の両方を同時に正確に測定することはできないというハイゼンベルクの不確定性原理です。日常生活のスケールでは、空間は正確に測定でき、位置は固定されているように見えることがわかります。しかし、量子スケールでは、位置と速度の測定には限界があり、粒子の挙動は不確実です。この特性は、空間と時間の小さなスケールでは、空間も変動に満ちている可能性があることを意味します。それはもはや静的ではなく、常に変化し、非常に活発です。この現象はマクロ物理学では説明できませんが、量子物理学では無視できない基本的な性質です。

このような不確実性を背景に、科学者たちは量子泡の概念を提案しました。極めて小さな空間と時間を観察すると、空間はマクロな世界ほど滑らかではなく、泡に似たランダムな変動を示します。この泡は、短時間に生成されてすぐに消滅する多数の小さな粒子とエネルギーで構成され、動的な構造を形成します。それは海面に見える波のようなものです。表面は全体として連続していますが、空間と時間の特定の点では、絶えず生成され、消滅する波が存在します。

科学者たちはさらに、量子レベルでの時空の現れは複雑な動的ネットワークである可能性があり、私たちが観察する滑らかな時空はマクロスケールでの現れにすぎないと推測しています。海の波は遠くから見ると連続しているように見えますが、顕微鏡で観察すると無数の水分子がうねっているのが明らかになるのと同様に、量子泡は時空の基本的な構成が極めて活発なネットワーク構造である可能性があることを示しています。この量子泡現象は量子力学の推測であるだけでなく、量子物理学と一般相対性理論を結びつける重要な手がかりでもあります。アインシュタインの相対性理論は、巨視的な天体間の重力関係をうまく説明していますが、微視的なレベルで量子力学と重力理論をどのように統一するかは、科学界において未解決の問題のままです。量子泡は量子重力の現れであると考えられており、非常に小さなスケールでは重力もまったく新しい方法で機能する可能性があることを意味します。これらの理論がさらに検証されれば、量子泡は空間と時間の科学的理解における重要な要素となる可能性があります。