ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた銀河団「SDSS J1038+4849」。重力レンズの影響で、2つの目と鼻があり微笑んでいるように見える。この中心にダークマターがあるが、写真には写らないと考えられている。(写真:)


 前回2016年12月の記事「正体に近づいた? 宇宙の長年の謎、ダークマター」(http://jbpress.ismedia.jp/articles/-/48735)では、宇宙空間を漂うダークマターについて解説しました。国際宇宙ステーションに搭載された粒子検出器がダークマターの形跡らしきデータを捉えたのです。

 けれどもそれと同じころ、「ダークマターは存在しない」と主張する奇抜な研究が注目を集めました。「エントロピック重力理論」と呼ばれるこの物理学理論は、全く新しい原理に基づく重力理論で、ダークマターをはじめとする現代物理学の難問を解決するというのです。

 もしもこの主張が本当ならば、これはニュートンとアインシュタインに次ぐ、第3の重力革命です。現時点では正しいとも正しくないとも結論できませんが、面白いので紹介しましょう。

新しい重力理論よ、目覚めよ

 17世紀、アイザック・ニュートン(1643-1727)は「万有引力の法則」を発見し、月や惑星やリンゴの運動を説明してのけました。人々はびっくりしました。

 20世紀、アルベルト・アインシュタイン(1879-1955)は「相対性理論」を発表し、空間はぐにゃぐにゃ時間はへろへろ伸び縮みするのだと明らかにしました。こういう伸び縮みの効果が重力現象だというのです。人々はびっくりしました。

 21世紀、そろそろ新しい重力理論が現われて、人々をびっくりさせてもいいのでは、と期待が高まっています。なぜなら、古い理論では説明できない事柄が、だんだん溜まってきたからです。

 古い理論で説明できない事柄の筆頭は「ブラックホールの消滅」です。ブラックホールは強い重力を持つために光も脱出できない天体とされます。

 と、述べたハナから矛盾するようなことをいいますが、「量子力学」という理論を少々適用すると、ブラックホールは微弱な光を出しながら徐々に縮んでいくという結論が出ます。そして縮んだ果てに、シャボン玉のようにこわれて消えてしまうといいます。

 一方、ブラックホールがこわれて消えると論理的にいろいろ不都合が生じるので、そうはならないだろうという意見もあります。このあたりは、量子力学と相対性理論を統合した「量子重力理論」の完成によって正しく説明されると期待されています。

 ブラックホールの他にも、宇宙のはじまり「ビッグバン」はどうして起きたか、宇宙空間に存在するダークマターとダークエネルギーの正体は何か等々、重力の分野には未解決の宿題が山積みです。

 だから、こうした宿題を一挙に片付けてくれるであろう量子重力理論の登場が待望されているのです。

「エントロピック重力」とは

 2010年、オランダはアムステルダム大のエーリク・フェアリンデ教授は、重力がエントロピーによって生じるというアイデアを発表しました(http://link.springer.com/article/10.1007%2FJHEP04%282011%29029)。「エントロピック重力理論」です。

 しかし、そもそも重力なるものが抽象的で直観的に理解しがたい存在なのに、それがエントロピーというさらに訳の分からないもので生じるといわれても、なんのことやらというのが普通の反応でしょう。

 ここではエントロピーの正体に深入りせず、それはエネルギーや質量のような、ある物理量であると述べておきます。そこらの物質もエントロピーを持ちますが、特にブラックホールは大量に蓄えていると考えられています。

 そして、ブラックホールが外部の物体を引き寄せると、ブラックホールのエントロピーが少々増えるのですが、じゃあ逆に、ブラックホールのエントロピーが増えるために、ブラックホールが物体を引き付けるのだとは考えられないか、というのがエントロピック重力理論の発想です。

 フェアリンデ教授はこの考えに基づき、ブラックホールでない通常の質量においても、そのエントロピーと重力の間には関係があると主張しました。そしてちょいちょいと計算して、既知の関係式や観測値をいくつか導出してみせました。

エントロピック重力理論が証明された・・・のだろうか?

 2016年12月、オランダ・ライデン大の大学院生マーゴット・ブラウワー氏らの研究チームは、3万3613個の銀河の物質分布を測定し、エントロピック重力理論の予想に合致する結果を得たと発表しました(https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/doi/10.1093/mnras/stw3192/2661916/First-test-of-Verlinde-s-theory-of-Emergent)。しかもこの予想は、ダークマターのような余計な仮説を必要としないというのです。

銀河を通過する光線は、銀河の重力によって曲がる。ブラウワー氏のチームはこ の効果を測定して、銀河の質量分布を測定した。 (c) APS/Alan Stonebraker; galaxy images from STScI/AURA, NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team.


 世間(の一部)は、これでエントロピック重力理論の正しさが証明された、ダークマターは存在しない、と沸き立ちました。

 しかしこの研究結果は、もう少し慎重な検討が必要です。

 そもそもダークマターとは、星やガスなどの観測可能な物質以外で、宇宙空間に漂っていると考えられている質量を指します。銀河の持つ重力を測定すると、銀河に含まれる星やガスの他に、観測できない重力源があるようなので、これをダークマターと仮に呼ぶのです。

 けれどもフェアリンデ教授は、銀河に星やガス以外の重力源があるのではなく、銀河のような大きなスケールでは、重力の法則自体が万有引力の法則と違うのだと主張します。

 そして、ダークマターがなくても銀河の重力を説明できるように、重力の法則を変更し、さらに、その変更された重力法則に整合するように、エントロピック重力理論を作っています。

 これはかなり曲芸的な手法です。

 こうして作られたエントロピック重力理論が、銀河の観測と一致しても、ダークマターが存在しないかどうか、万有引力が銀河の規模では成り立たないかどうかは、まだ結論するには少々早いように思われます。

正しい量子重力理論はどこに?

 重力理論の歴史を振り返ると、ニュートンの新しい力学は微積分という新しい数学を必要としました。物理学が難解な学問になったのはこの時からです。

 アインシュタインの相対性理論は微分幾何学という数学を駆使するもので、これまた手ごわい数学です。

 次の重力理論である量子重力理論がどんなものになるのか、いまだ明らかではありませんが、それがきわめて難解な代物になることだけは疑いありません。

 量子重力理論という魅力的なテーマに、研究者はもう何世代も取り組んでいます。これまであまたの秀才が無数の論文を発表し、さまざまなアイデアを提唱しました。エントロピック重力理論はそのひとつです。中には、うまくいかなかったもの、ちょっとうまくいったもの、まだどちらとも判断のつかないものが入り雑じっています。

 そうした新理論のいずれもが、高度な数学を駆使する難解な理論で、理解するには何年にもおよぶ修行が必要です。新理論はいくつもの流派に分かれています。すべての流儀を学んで、全体像を把握するのはさらに困難です。

 こうしてみると、量子重力理論はまるで野心に満ちた秀才が迷い込む荒野のようです。荒野のどこかにあるという、豊かな正しい量子重力を、人は探してさまよいます。荒野のあちこちに立つ墓標は、うまく行かなかったアイデアです。素人には墓碑銘も判読できません。

 正しい道を歩み、正しい新理論に至る人はいるのでしょうか。エントロピック重力理論はそういう正しい理論なのでしょうか。誰も確信を持って答えられません。

 ともあれ、エントロピック重力理論が本当に観測データと合うかどうか、今後の追試に注目しましょう。

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筆者:小谷 太郎