「好奇心を忘れるな」と、ホーキングは言った ──車いすの天才、宇宙の研究と自らの人生を振り返る
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。第5弾では、博士が自らの研究人生を振り返った2016年の記事を紹介する。そこには多くの人々が勇気づけられるであろうメッセージが記されている。
ベッドに横になったときに、ひらめいた。「エウレカ」と呼ばれる瞬間だ。娘のルーシーが生まれて間もないころで、わたしは面積定理に思い至ったのだ。ブラックホールに関する研究を始めたのはそれからだった。
一般相対性理論が正しいと仮定する。この場合、エネルギー密度がプラスであれば、事象の地平面（すなわちブラックホールの境界面の表面積）は、ブラックホールに外部からの物質や放射線が降り注いだときに、常に増加するという性質をもつ。
さらに、ふたつのブラックホールが衝突してひとつのブラックホールを形成すると、新しいブラックホールの事象の地平面の面積は、元のふたつのブラックホールの事象の地平面の面積の合計より大きくなる。
面積定理はLIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）の設備で実験が可能だ。2015年9月14日、LIGOは連星ブラックホールの衝突と結合によって生じた重力波の観測に初めて成功した。そしてブラックホールの性質を精査することで、その面積は熱力学でエントロピーと呼ばれる概念に似ているという示唆が得られた。
エントロピーは、ある系の混乱の度合いとみなせる。もしくは、その系の正確な状態についての情報の不足とも言える。ひとつのブラックホールの外観について、その内部にいくつの状態が存在できるかを表す単位としても使える。しかし実際には、面積はエントロピーになりえなかった。なぜなら、誰もが「知っている」ようにブラックホールは真っ黒で、面積と熱放射は釣り合わないからだ。
一般相対性理論と量子力学の組み合わせ
当時、わたしたちが進めていた古典的な一般相対性理論の研究は非常にうまくいっており、1973年は少しばかり暇をもて余していた。ロジャー・ペンローズとの共同研究により、特異点においては一般相対性理論が成り立たないことがわかっていた。次のステップは明白だった。大きな世界の理論である一般相対性理論と、小さな世界の理論である量子力学とを繋ぎ合わせるのだ。
わたしは量子力学の研究にかかわった経験がなかったので、特異点問題に正面突撃を仕掛けるのは困難なように思えた。そこで準備運動として、量子力学に支配される粒子と場がブラックホール付近でどのように振る舞うか考えることにした。
量子場や粒子がブラックホールからどのように飛び出すかについて研究を行った結果、入射波の一部は吸収され、残りは飛び出すだろうという予想を立てた。しかし非常に驚いたことに、放射はブラックホールそのもので行われていそうだということが明らかになったのだ。
当初は計算を間違ったに違いないと思った。だが、事象の地平面がブラックホールのエントロピーだとみなすには、その放射こそがまさに必要なものなのだと分かると、事実と認めざるをえなかった。
30年にわたり議論されてきた「矛盾」
のちの研究で、この公式が示すさらに深遠なことが明らかになった。通常の時間の概念をいわゆる虚時間で置き換えると、一般相対性理論と量子力学をすっきりと組み合わせることができる。これがユークリッド的手法と呼ばれるのは、時間を空間における4つめの方向として扱うからだ。
ユークリッド時空は滑らかで、物理方程式で定義できない特異点は存在しない。それは、「ペンローズ＝ホーキングの特異点定理」が提起した根本的な問題、すなわち特異点のせいで予測性が成り立たなくなるという問題を解決してくれた。
ブラックホールの放射はエネルギーをもち去るので、ブラックホールは質量を失い縮小する。だとすれば、ブラックホールはいずれは完全に蒸発して消え去ってしまうだろう。これが物理学の核心を突く問題を提起した。
わたしの計算によると、放射はすべて熱放射によるもので、確率的なものであるはずだ。さもなくば、事象の地平面はブラックホールのエントロピーではあり得ないからだ。
では、ブラックホールに残る放射はどのようにして、その成り立ちについての情報を保持しているのだろうか？ もし情報が失われるのであれば、量子力学とはつじつまが合わない。この矛盾は30年にわたって議論されてきたが、大きな進展は見られなかった。
シンギュラリティーの存在しない時空
ついに、わたしは答えだと思えるものを見つけた。情報はブラックホールの中で失われるのではなく、有用なかたちで戻ってこないのだ。燃やされた百科事典のようなもので、情報は失われてはいないが、解読は非常に困難になる。
1982年、わたしはこの宇宙に存在する物質の種は、インフレーションが起きているなかでの量子効果によってつくられたのではないか、との理論を提唱した。インフレーションの元々の筋書きでは、宇宙はビッグバンというシンギュラリティー（特異点）によって生まれた。宇宙は拡大の過程でどうにかして急激な膨張を起こしたはずなのだが、わたしはこれだけでは不十分だと思っていた。
初期のシンギュラリティーの結果として何が生じたのかを知らなければ、宇宙の発達の仕方を計算することは不可能だ。宇宙論は予測する力を得られないだろう。必要なのはシンギュラリティーの存在しない時空である。つまり、ブラックホールのユークリッド版のように。
わたしが筆を執ると決めたのはこのころだ。子どもの学費と増え続けるわたしの医療費をまかなうために、多少の収入を得ようと考えた。しかし、一番の理由は楽しかったからだ。執筆中に欧州原子核機構（CERN）を訪問した際に肺炎で危篤状態に陥り、気管切開術により声を失った。『ホーキング、宇宙を語る』があんなに売れるとは思いもしなかった。
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今後、数多くの野心的なプロジェクトが計画されている。無数の銀河の位置が特定され、「COSMOS」のようなスーパーコンピューターの力を借りて、宇宙におけるわたしたちの立ち位置が解明されていくだろう。
理論物理学の研究を行うには素晴らしい時代に生きることができた。人間は自然界に存在する素粒子の集合にすぎないが、わたしたちの世界を支配する法則やこの宇宙の解明に、ここまで近づいたのだ。本当に偉大な勝利だと思う。
うつ向いて足元を見るのではなく、顔を上げて星空を眺めよう。いま目にしているものを理解しようと努め、宇宙はなぜ存在するのか思索してほしい。そして好奇心を忘れてはならない。人生がどれだけ困難に思えようが、あなたが取り組み、成功できるものが必ずどこかにある。大切なのは諦めないことだ。
2016年10月に公開された『WIRED』UK版の記事を翻訳した。博士の言葉は、2016年のスタームス科学会議で「わたしの人生（A Brief History of Mine）」と題して講演した内容から引用している。
