無の物理学がすべてのものの根底にある

数千年前、アリストテレスは、物体は真の空虚な空間をあり得ない速度で飛行するだろうと推論し、自然は真空を嫌うと主張しました。1277年、フランスの司教エティエンヌ・タンピエはこれに反論し、神は真空を創造することさえも、何でもできると断言しました。

そして、一人の科学者がそれを成し遂げた。オットー・フォン・ゲーリケは、中空の銅球の内部から空気を吸い出すポンプを発明し、おそらく地球上で最初の高品質の真空状態を確立した。1654年の劇的なデモンストレーションでは、スイカほどの大きさの球を二頭の馬が引き裂こうとしても、無からの吸引力に打ち勝つことはできないことを示していた。

それ以来、真空は物理学の根幹概念となり、あらゆる理論の土台となっています。フォン・ゲーリケの真空は空気の不在です。電磁真空は光の速度を遅くする媒体の不在です。そして重力真空は、空間を曲げる物質やエネルギーが一切存在しません。いずれの場合も、無の具体的な種類は、物理学者がどのような何かを記述しようとしているかによって決まります。「時には、理論の定義方法が重要なのです」とイリノイ大学の理論物理学者パトリック・ドレイパー氏は述べています。

現代の物理学者たちが究極の自然理論の候補としてより洗練された理論に取り組むにつれ、彼らはますます多様な無に遭遇してきた。それぞれが独自の振る舞いをし、まるで物質の異なる相であるかのように振る舞う。宇宙の起源と運命を理解する鍵は、こうした増殖する不在の多様性を注意深く考察することにあるように思われる。

「何もないことについて、私たちが考えていた以上に多くのことが学べていることが分かってきています」と、カリフォルニア州にあるカブリ理論物理学研究所の素粒子物理学者イザベル・ガルシア・ガルシア氏は述べた。「私たちはどれだけのことを見逃しているのでしょうか？」

これまでのところ、こうした研究は劇的な結論を導き出している。つまり、私たちの宇宙は粗雑な構造のプラットフォーム、つまり遠い将来に別の種類の無に変化し、その過程ですべてを破壊する運命にある「準安定」真空の上に成り立っているのかもしれない、というのだ。

量子無

20世紀に入り、物理学者たちが現実を「場」の集合体、つまり各点で空間を満たす値を持つ物体（例えば電場は、電子が様々な場所で感じる力の大きさを示します）と捉えるようになったことで、何もかもが何かのように見えるようになりました。古典物理学では、場の値はどこでもゼロになる可能性があり、その場合、場は影響を与えず、エネルギーも持ちません。「古典物理学では、真空は退屈なものです」とマサチューセッツ工科大学の理論物理学者ダニエル・ハーロウは言います。「何も起こっていないのです。」

しかし物理学者たちは、宇宙の場は古典的ではなく量子的であることを学びました。つまり、場は本質的に不確実です。量子場をエネルギーが正確にゼロになるようなことは決してありません。ハーロウは量子場を、空間の各点に1つずつ置かれた振り子の列に例え、その角度が場の値を表します。それぞれの振り子はほぼ真下に垂れ下がっていますが、前後に揺れています。

量子場は、放置しておくと、最小エネルギー状態、つまり「真の真空」または「基底状態」に留まります。（素粒子はこれらの場におけるさざ波です。）「系の真空について話すとき、私たちはある意味で、その系の好ましい状態を念頭に置いています」とガルシア・ガルシアは述べています。

私たちの宇宙を満たす量子場のほとんどは、ただ一つ、永遠に残る好ましい状態を持っています。ほとんどがそうですが、全てではありません。

真の掃除機と偽の掃除機

1970年代、物理学者たちは、平均的に見ても値がゼロにならない、異なる種類の量子場の重要性を理解するようになりました。このような「スカラー場」は、例えば10度の角度で浮かんでいる振り子の集合体のようなものです。この配置は基底状態になり得ます。振り子はその角度を好み、安定します。

2012年、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の実験者たちは、ヒッグス場と呼ばれるスカラー場が宇宙全体に浸透していることを証明しました。当初、高温の初期宇宙では、ヒッグス場の振り子は下向きでした。しかし、宇宙が冷えるにつれて、ヒッグス場は水が凍って氷になるのと同じように状態を変え、振り子はすべて同じ角度まで上昇しました。（このゼロではないヒッグス値が、多くの素粒子に質量と呼ばれる性質を与えているのです。）

スカラー場が存在する場合、真空の安定性は必ずしも絶対的ではありません。場の振り子は複数の半安定角度を持ち、ある状態から別の状態へと変化する傾向があります。例えば、ヒッグス場が絶対的に好ましい状態、つまり真の真空を見つけたかどうかは、理論家の間でも確信が持てません。ヒッグス場の現在の状態は、138億年もの間持続してきたにもかかわらず、一時的に安定している、つまり「準安定」に過ぎないと主張する人もいます。

もしそうだとしたら、好景気は永遠には続かないだろう。1980年代、物理学者のシドニー・コールマンとフランク・デ・ルチアは、スカラー場の偽の真空が「崩壊」する仕組みを説明した。ある瞬間、ある場所で十分な数の振り子がより好ましい角度に揺れ動けば、隣の振り子を引き寄せ、真の真空の泡がほぼ光速で外側へ飛び出す。その泡は物理法則を書き換え、進路上にある原子や分子を破壊していくだろう。（慌てる必要はない。たとえ私たちの真空が準安定状態だとしても、これまでの持続力を考えると、おそらくあと数十億年は続くだろう。）

物理学者たちは、ヒッグス場の潜在的な可変性の中に、無が私たち全員を死滅させるほぼ無限の方法の最初のものを特定した。

問題が増えれば、掃除機も増える

物理学者たちは、確認された自然法則をより大きな集合に当てはめようと試み（その過程で私たちの理解における巨大なギャップを埋め）、追加の場やその他の要素を加えた自然法則の候補を作り上げてきました。

場が積み重なると相互作用し、互いの振り子に影響を与え、新たな相互配置を形成し、そこに閉じ込められやすくなります。物理学者は、これらの真空を、波打つ「エネルギーランドスケープ」における谷として視覚化します。振り子の角度の違いは、エネルギー量、つまりエネルギーランドスケープにおける高度の違いに対応し、石が坂を転がり落ちようとするのと同じように、場はエネルギーを下げようとします。最も深い谷は基底状態ですが、石は（少なくとも一時的には）より高い谷に留まる可能性があります。

数十年前、そのスケールは爆発的に拡大した。物理学者のジョセフ・ポルチンスキーとラファエル・ブッソは、重力の量子的な側面を記述する主要な数学的枠組みである弦理論の特定の側面を研究していた。弦理論は、宇宙が約10次元で、余分な次元が検出できないほど小さな形に縮まっている場合にのみ機能する。ポルチンスキーとブッソは2000年に、そのような余分な次元が途方もない数の折り畳み方をする可能性を計算した。それぞれの折り畳み方は、独自の物理法則を持つ明確な真空を形成するだろう。

弦理論ではほぼ無数の真空が存在できるという発見は、約20年前に起きた別の発見と一致した。

1980年代初頭、宇宙学者たちは宇宙インフレーションと呼ばれる仮説を提唱し、これが宇宙誕生の有力な理論となりました。この理論によれば、宇宙は急激な指数関数的膨張から始まり、宇宙の滑らかさと巨大さを巧みに説明します。しかし、インフレーションの成功には代償が伴います。

研究者たちは、宇宙のインフレーションが一度始まると、それは継続することを発見した。真空の大部分は激しく外側へ爆発し、永遠に続くだろう。限られた空間領域だけが膨張を停止し、その間に膨張空間があることで互いに隔てられた、比較的安定した泡となる。インフレーション宇宙論者は、私たちがこれらの泡の一つを故郷と呼んでいると考えている。

真空の多元宇宙

私たちがマルチバース（多元宇宙）、つまり無限に広がる真空の泡の風景に住んでいるという考えは、一部の人々にとって不安を掻き立てるものです。この考えは、（私たちの宇宙のような）真空の性質をランダムで予測不可能なものに見せかけ、宇宙を理解する能力を阻害するのです。2018年に亡くなったポルチンスキーは、物理学者で作家のザビーネ・ホッセンフェルダーに対し、弦理論の真空の風景を発見した当初はひどく落ち込み、セラピーを受けるに至ったと語っています。弦理論が想像し得るあらゆる「無」の多様性を予測するのであれば、何かを予測したと言えるのでしょうか？

真空の多さは問題ではないと考える人もいる。「むしろ、それは美徳です」と、スタンフォード大学の著名な宇宙学者であり、宇宙インフレーション理論の提唱者の一人であるアンドレイ・リンデ氏は述べた。なぜなら、多元宇宙は、私たちの宇宙の真空のエネルギーが極めて低いという大きな謎を解く可能性があるからだ。

理論家が宇宙のあらゆる量子場の集団的揺らぎを素朴に推定すると、そのエネルギーは膨大となり、空間の膨張を急速に加速させ、瞬く間に宇宙を分裂させるのに十分な大きさになります。しかし、観測されている空間の加速はそれに比べれば極めて穏やかであり、集団的揺らぎの多くは打ち消され、私たちの真空のエネルギーは正の値が極めて低いことを示唆しています。

孤立宇宙では、唯一の真空の微弱なエネルギーは深遠なパズルのように見える。しかし、多元宇宙では、それは単なる偶然に過ぎない。異なる空間の泡がそれぞれ異なるエネルギーを持ち、異なる速度で膨張するなら、銀河や惑星は最も活動の鈍い泡の中でしか形成されない。つまり、私たちの静かな真空は、地球のゴルディロックス軌道と同じくらい神秘的なものではない。私たちがここにいるのは、他のほとんどの場所が生命にとって住みにくいからである。

好き嫌いは別として、現在理解されている多元宇宙仮説には問題がある。弦理論には一見無限の真空が存在するように見えるにもかかわらず、我々の宇宙のような、ほとんど正のエネルギーを持たない真空に対応する、微小な余剰次元の特定の折り畳み構造を、これまで誰も発見していない。弦理論は、負のエネルギーを持つ真空をはるかに容易に生み出すように見える。

ひも理論は真実ではないかもしれないし、研究者の理解が未熟なことに欠陥があるのか​​もしれない。物理学者たちは、ひも理論における正の真空エネルギーの扱い方をまだ正しく理解していないのかもしれない。「それは十分にあり得ることです」と、ニュージャージー州プリンストン高等研究所の物理学者ネイサン・セイバーグは述べた。「これはホットな話題です。」

あるいは、真空は本質的に不安定なだけなのかもしれません。「正のエネルギーを持つ空間は安定していないというのが一般的な見解です」とザイバーグ氏は言います。「何か別のものに崩壊する可能性があり、それが真空の物理的理解が非常に難しい理由の一つかもしれません。」

これらの研究者たちは、私たちの真空は現実世界にとって好ましい状態ではなく、いつかより深く安定した谷へと自ら揺れ動くのではないかと疑っている。その際、真空は電子を生成する場を失ったり、新たな粒子のパレットを拾ったりするかもしれない。密に折り畳まれていた次元が解き放たれるかもしれない。あるいは、真空は存在そのものを放棄するかもしれない。

「それも選択肢の一つだ」とハーロウは言った。「本当に何もない」

真空の終焉

物理学者エドワード・ウィッテンは1982年、「無の泡」を初めて発見した。各点で小さな円に丸まった余分な次元を持つ真空を研究していた彼は、量子的な揺らぎによって必然的に余分な次元が揺らぎ、時には円が点にまで縮むことを発見した。ウィッテンは、その次元が無へと消え去る時、他のすべてのものも一緒に消え去ることを発見した。この不安定性は、内部を持たない急速に膨張する泡を生み出し、その鏡のような表面は時空そのものの終焉を示す。

この微小次元の不安定性は長年、弦理論を悩ませてきた。そして、それを補強するために様々な要素が考案されてきた。12月、ガルシア・ガルシアは、ドレイパーとイリノイ大学のベンジャミン・リラードと共に、丸まった余分な次元を一つ持つ真空の寿命を計算した。彼らは様々な安定化策を検討したが、ほとんどのメカニズムでは泡を止めることができないことを発見した。彼らの結論はウィッテンの結論と一致していた。つまり、余分な次元の大きさが一定の閾値を下回ると、真空は即座に崩壊するというのだ。同様の計算（より洗練されたモデルに拡張したもの）を行うことで、弦理論においてその大きさ以下の次元を持つ真空を除外できる可能性がある。

しかし、隠れた次元が十分に大きければ、真空は何十億年も存続する可能性があります。つまり、何もない泡を生み出す理論が、私たちの宇宙と合致する可能性があるということです。もしそうなら、アリストテレスは自身が認識していた以上に正しかったのかもしれません。自然は真空をあまり好まないのかもしれません。非常に長い目で見れば、自然は全く何もないことを好むのかもしれません。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。