ホーキング博士、最後のセオリー：彼が多元的宇宙について考えていたこと
宇宙物理学者のスティーヴン・ホーキング博士が、2018年3月14日に亡くなった。全身の筋肉が徐々に動かなくなる筋委縮性側索硬化症（ALS）と闘い続けてきた「車いすの天才科学者」は、これまで独創的な宇宙論を発表し続けてきたことで知られる。「WIRED.jp」は、博士の遺した理論や功績などを振り返るべく、特集企画として5本の記事にまとめた。その第2弾では、博士が亡くなる10日前に更新していた「最後の論文」について、共著者であるトーマス・ハートグ博士へのインタヴューを交えながら解説する。
英国の著名な宇宙物理学者であるスティーヴン・ホーキング博士が亡くなる10日前の2018年3月4日、コーネル大学が運営する論文投稿サイト「arXiv（アーカイヴ）」に掲載されていた論文が、ひっそりとアップデートされていた。
「A Smooth Exit from Eternal Inflation? （永久インフレーションからのスムーズな離脱？）」と題された論文は、宇宙初期に起こった指数関数的な急膨張（インフレーション）の様子を、さらに数学的に突き詰めたものだった。それはホーキング博士が人類に遺してくれた「最後のセオリー」である。多元的宇宙のフレームワークから、唯一われわれの知る「宇宙」の始まりにフォーカスを当てたものだった。
宇宙の始まりにある、ひとつの「点」
宇宙史を語るとき、われわれはその物語のプロローグに思いをはせる必要がある。
この宇宙が誕生して138億年。現在の観測可能な宇宙は、星や銀河がまるでクモの巣のようにまだらに分布していて、それら全体が等方的な膨張を続けていることが、観測によって明らかになっている。
重力は物質同士を引き寄せることで、宇宙空間に密度が高い部分と低い部分をつくり出し、現在見られるまだらな姿を形成した。時間の矢を逆にたどってみると、おそらく過去の宇宙は現在よりも小さく、より密度や温度が高く、より均一だったと考えるのが理にかなっている。
さらに過去にさかのぼっていくと、宇宙に銀河や星が生まれる以前の時代や、原子や原子核が存在する前の時代まで想像できるかもしれない。そうやって宇宙の始まりまで時間を巻き戻し、縮小する宇宙を想像していくと、宇宙全体の物質、エネルギー、そしてありとあらゆる可能性が凝縮したひとつの「点」に突き当たる。
1970年、特異点定理研究の先駆者である物理学者のロジャー・ペンローズとホーキングは、もしアルバート・アインシュタインの「一般相対性理論」が正しければ、宇宙の始まりには重力や密度が無限大になり、古典物理学が破綻してしまう「特異点」が存在せざるを得ないことを証明した。
ところが、宇宙の始まりを予測しうると期待された特異点定理には、宇宙が“どのようにして”始まるのかという解釈が欠けていた。さらに古典物理学が破綻してしまうとなれば、正しく宇宙の始まりを描写しうる別の理論が必要とされているのは明白だった。
もし特異点が原子のように非常に小さな点ならば、ミクロの世界を説明できる量子論が、ここで最も適した道具となる。宇宙の始まりを破綻なく描写するには、一般相対性理論と量子論をどうにかして統合しなくてはならない。
「無境界仮説」と「多元的宇宙」の関係
ホーキングの有名な、それでいて実証不可能な業績のひとつに、1983年にカルフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者ジェームズ・ハートルと共同で提唱した「ハートル・ホーキングの無境界仮説」という概念がある。無境界仮説によると、もし時間をさかのぼってビッグバン前にたどり着けたとすれば、そこには空間や時間の概念自体が曖昧になってしまう場があるという。
そこは「特異点」のようなはっきりとした点ではなく、むしろ北極を見渡せばどの地点が正しく北極点なのかわからなくなるように、境界のない、スムーズなものなのだとホーキングは形容する。
「時空の過去には境界が存在しなかったというのが、宇宙初期の物理的なコンディションであったはずです」と、ホーキングは理論を説明する動画で語っている。無境界仮説の要となっているコンセプトは、原子のように小さな特異点は、粒子のようにも波のようにも振る舞うことができるという量子論的な概念だ。「無境界仮説は量子重力を基にしたビッグバン・モデルなのです」
しかし量子論を用いた仮説は途方もない可能性をも内包する。今回の論文の共著者で、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の物理学教授であるトーマス・ハートグ博士は、『WIRED』日本版の取材に次のように説明する。「わたしたちは徐々に、無境界仮説のモデルはひとつの宇宙だけではなく、無限の宇宙をつくり出してしまうことに気づきはじめました。それらは並行して存在する宇宙の集合体のことで、マルチヴァース（多元的宇宙）と呼ばれています」
「マルチヴァースを懐柔させてみよう」と、ホーキングは言った
われわれの宇宙は、過去に宇宙全体が指数関数的に急膨張する長期間のインフレーションを経験することによって、誕生した可能性が高い。ところが、量子理論的な側面のある無境界仮説は、いったん宇宙のインフレーションが始まると、宇宙全体が一様に急膨張したり止まったりするのではなく、局所的にインフレーションを続ける領域がいくつも現れることを予測する。
これは「永久インフレーション」と呼ばれ、結果的に宇宙内に、ありとあらゆる可能性をもつ独立した宇宙領域、または“泡”をつくり出す。つまりそれぞれの“泡”が、異なる物理定数をもつ無限のマルチヴァースを生み出すことを理論的に予測してしまうのだ。
それは、われわれの住む誰かに微調整されたかのような物理定数をもつ「宇宙」を、無限に存在するマルチヴァースのひとつとして説明できるかもしれないが、観測や予測を踏まえた証明が実質的に不可能となる。これでは科学的な理論として成り立たず、その解釈に裏づけが得られることはない。
「ホーキングはこのような状況に満足していませんでした」と、ハートグは言う。「1年前、彼はわたしに言ったのです。『マルチヴァースを懐柔させてみよう』と。そこでわたしたちは多元的宇宙のアイデアを、検証可能な科学的フレームワークに変換できるような方法の開発に努めたのです」
ホーキングとハートグは、宇宙初期をより簡潔に描写するために、「ハートル・ホーキングの無境界仮説」をさらに数学的に磨き上げた。今回の論文で発表された仮説は、いわば無境界仮説の進化版とも呼べるもので、永久インフレーションのさなかに無限フラクタル的に発生してしまうマルチヴァースを、ホログラフィック理論を導入することで、より扱いやすい有限のセットにまで縮小することを可能にする。
彼らの宇宙論は、マルチヴァースが存在することを前提としている。それはこれまでの歴史を考えると自然な発想だ。人類の視野が広がるにつれて、われわれは惑星、恒星、銀河、銀河団が無数に存在することを知り、われわれのちっぽけな世界がひとつだけではないことを学んできた。宇宙の始まりを追求するにおいて、どうして宇宙がひとつだけしかないと仮定できるだろうか？
実証が困難な仮説
とはいえ、ホーキングの最後の論文は、決してマルチヴァースの存在を証明するものでも、それらを検出するための構想でもない。あくまで、われわれの宇宙の存在がマルチヴァースのフレームワークでも予測しきれるのかを、数式的に模索するものだ。
「無境界仮説は初期の物理的コンディションのモデルであり、それはわれわれの親しんだ空間や時間の概念が、どのようにして量子状態にあった宇宙から出現できるのかを描写するものなのです」と、かつてホーキングは語っている。
新たに発表された無境界仮説の進化版は、量子理論と古典物理学をうまく統合させるための予備的な数式とも呼べるものだ。それは、宇宙が量子論の支配するインフレーションから誕生し、そのあと宇宙の進化とともに古典物理学が出現することを描写する。
言い換えると、厄介なマルチヴァースの存在を予測するインフレーション時期を経ることで、宇宙には古典物理学の決定論的な「時間」が生まれるのだ。しかしこの途方もない仮説は、どうにかして実証可能なのだろうか？
「われわれの宇宙でビッグバンからの重力波を観測できれば、この宇宙は非常に急速な膨張──インフレーションによって誕生したという証拠になります。無境界モデルはインフレーション理論の完成形であり、それはマルチヴァースの存在をも描写するものです。ビッグバンからの重力波は、宇宙の量子起源に追随するものとなり、それは宇宙の歴史に大いなる統合をもたらすでしょう」と、ハートグは説明する。
「現在の宇宙の膨張は、ビッグバンからの重力波は非常に長い波長をもつことを意味しています。地球上からの観測では検出することはできないでしょうが、将来的に宇宙での重力波実験ができれば、これを直接検出できるかもしれません。そうなれば、本当にビッグバンに聞き耳を立てることになるのです」
「人類の努力には境界がない」
ホーキング博士は若干21歳のときに筋萎縮性側索硬化症（ALS）と診断されてから、実に55年を死と隣り合わせで生きてきた。それでも彼は前向きに、ときに「障害のおかげで、教鞭を執ったり退屈な会議に出席したりする義務で時間を無駄にすることなく、研究に没頭できる」と、ジョークを飛ばしながら、われわれに宇宙の魅力を伝え続けてくれた。「死後の世界は存在しない」とは生前の博士の主張だったが、はたして生命の特異点に境界は存在したのだろうか。
「最後の論文は、20年近くにわたる宇宙の起源に関するわたし達の対話の集大成とも呼べるものです。わたしとスティーヴンは、ようやくマルチヴァースを制御でき始めたと感じられるこの論文が、本当に気に入っているのです」と、ハートグは語る。
彼らのセオリーが正しいかどうかは誰にもわからない。とはいえ、われわれはいずれ、真実にたどり着くことができるだろう。できるはずだ。ホーキングもこう言い遺しているではないか。「人類の努力には境界がないのだから」と。
