じじぃの「科学夜話・第4講・ランドスケープ・10次元時空間！宇宙の雑学」

【超ひも理論】この世界の全てを解き明かす究極の理論！？この宇宙は10次元だった！？【ゆっくり解説・科学】

動画　YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=iddcL7AmWmw

宇宙のランドスケープ　宇宙の謎にひも理論が答えを出す

著者名：レオナルド・サスキンド【著】/林田陽子【訳】
日経BP（2012/02発売）
【内容説明】
「宇宙はなぜこのようになっているのか」「宇宙に生命が存在できるのはなぜか」という誰の心の中にもある根本的な疑問を追求したポピュラー・サイエンス。
サスキンドはひも理論、インフレーション宇宙論、最新の宇宙観測結果に基づいて、この大いなる謎を探究する。この宇宙の歴史とは「インフレーションの棚」を転がってゆき、極めて小さな宇宙定数を持つ谷で静止することだったという。しかし、この宇宙はもっとはるかに広大な、いわゆる「メガバース」の中のほんのちっぽけな片隅を占めるにすぎない。メガバースの中で、無数の種類の小宇宙が無限回出現するという新しい宇宙像にたどり着く。

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『宇宙とは何か』

松原隆彦／著　SB新書　2024年発行

第4講　マルチバース

ストリング理論がブームにより

次に、ストリング理論における「ランドスケープ宇宙」の話です。
まずストリング理論とは何なのか。基本的なところをお話ししておきましょう。

力の統一についての研究があります。
この宇宙の物理法則において、力には4つの種類があります。「重力」「電磁気力」「強い力」「弱い力」です。
「重力」と「電磁気力」はこれまでの話に出てきましたが、「強い力」「弱い力」ははじめてですね。どちらもミクロの世界に働く力なので、日常生活では感じることはありません。

「強い力」は、原子核がバラバラになるのを防いでいます。「弱い力」は、さまざまな粒子を別の粒子に変化させるのみ重要な役割を持つ力です。強い、弱いというのは、電磁気力と比べて強いか弱いかをいっています。

これらをバラバラに見える力がどういう関係にあるのかを調べる中で、電磁気力と弱い力に関してはうまく統一した理論ができたんです。「電弱統一理論」と言います。この理論で素粒子の性質はほぼ説明できるようになりました。

科学者たちは目下、「強い力」も合わせて1つの枠組みで説明したいと理論を作っていますが、これらはまだ不完全です。理論はできたように見えるけれど、実験してみると合わなかったりしているので、本当には統一できていないというところです。

もっとも理論の統一が困難なのは、重力です。重力も含めて4つの力をすべて統一した理論を作るべく登場したのがこの「ストリング理論」なんです。1980年代にブームになりました。素粒子論をやっている人の多くが飛びついたんです。が、まだ完成していません。なぜかというと、難しすぎるから。

10次元より

何が「ストリング」なのかというと、粒子を点ではなく「ひも」（のようなもの）として捉えているからです。「超ひも理論」「超弦理論」とも呼ばれています。

粒子というと普通は単純な形の「粒」を思い浮かべますね。点として考えれば、0次元ということになります。でも、実は1次元的に広がったひもだと考えると、その方が情報量を多く持てて都合がいいのです。

ストリング理論では、素粒子や力はすべて「ひも」（のようなもの）から生じると考えます。ひもの長さの違いや振動によって、いろいろな素粒子や力が生まれています。ごく簡単にはそういうことです。

ただ、ストリング理論を進めるには、この宇宙が3次元空間では無理だということがわかっています。5次元や6次元でもダメで、空間9次元に時間1次元の10次元世界であるとしないと理論が破綻してしまうんです。3次元空間と思われてきたこの世界には、あと6つも次元があるということですね。

普通ならここで「何をバカな」と放り出しそうなところですが、「いいや、ストリング理論はあまりにも美しい理論だから捨てることはできない」と研究者たちは考え、この宇宙は10次元（見方によっては11次元）であることにしました。そう、あることにしたんです。

本当は10次元時空間なのに、私たちには4次元の時空間にしか見えていないとした。残り6次元は、あまりにも小さいから私たちにも見えないのです。小さく丸めて、見えなくして考えます。

次元が増えれば増えるほど調べるのが大変になり、10次元ともなると複雑怪奇です。
次元の丸め方にもいろいろなパターンがあるため、宇宙の取り得るパターンが少なくとも10の500乗個くらいあるんじゃないかと言われています。1兆を41回1兆倍して、さらに1億倍したほどの数です。この計算はあまりにも難しく、正確にいくつのパターンを取り得るのかはまだわかっていません。

いずれにしても、宇宙の取り得るパターンは多数ある。そのうち、この宇宙はどれなんだという疑問がありますね。この宇宙を決める原理がないんです。なんとか決められないかといろいろ頑張りましたが、どうにも難しい。

そんな中、「この宇宙のパターンは偶然にすぎない」と言う人があらわれました。それが「ランドスケープ宇宙」というモデルです。

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じじぃの日記。

松原隆彦著『宇宙とは何か』という本に、「10次元」というのがあった。

「次元が増えれば増えるほど調べるのが大変になり、10次元ともなると複雑怪奇です」

弦理論（string theory）は、粒子を0次元の点ではなく1次元の弦として扱う理論、仮説のこと。ひも理論、ストリング理論とも呼ばれる。
1970年に南部陽一郎、レオナルド・サスキンド、ホルガー・ベック・ニールセンが独立に発表したハドロンに関する理論によって登場したものの、量子色力学にその座を譲った。しかし、1984年にマイケル・グリーンとジョン・シュワルツが発表した超対称性及び、カルツァ＝クライン理論を取り入れた超弦理論 (superstring theory)によって、再び表舞台に現れた。4つの基本相互作用を統一する試みとして注目されている。
　　　　　　　　　　　ウィキペディア（wikipedia）より
　　　
約20年前、川合光著『マンガ超ひも理論　我々は四次元の膜に住んでいる』というマンガ本を読んだ。

本の中にやたらと「お釈迦さま」が出てくる。

お釈迦さまとは、「重力」のことで、実は我々の世界は4次元の膜から成り立っているというものだった。

マンガ本より

量子重力の世界では……

物体A、物体Bとのやりとり
重力子交換からの寄与は∞に大きくなりエネルギー無限大発散してしまう。

ところが、シュワルツが計算してみると超ひも理論のなかに最初から閉じたヒモ（すなわち重力子）が含まれていて、しかもひも理論では、重力のエネルギー無限大発散がないことがわかりました。
ジャマものと思われていたモノがじつは超ひも理論を開花させる大切なタネだったのです。
ただし、超ひも理論にも、1つだけ難問がありました――。

それはほかならない「10次元宇宙」問題です。超ひも理論の父シュワルツもこの問題には悩みました。
理論のなかに矛盾が現われないようにするには、この超ヒモが10次元空間としなければならない……。

しかしそれでは、我々の4次元宇宙と合わなくなる。
4次元宇宙（空間3次元＋時間1次元）＋ 6次元分が余分。
この問題は素粒子学者たちを悩ませました。

そこへ登場したのが、超ひも理論のもう1人の父、ウィッテンです。ウィッテンはこんなだいたんな提案をしました。

ウィッテン、「なあに残る6次元は、超ミクロ空間に丸めこんじゃえばいい。そうすることによって、我々の目に見えないことにすれはよい」