物理学の不自然な未来

物理学者は、真実は「外にある」べきだとは考えていません。彼らは、自然が自然に現れ、意味を持ち、適合し、あるいは適合しない正当な理由を持つことを望んでいます。

不自然さが問題です。 

不自然な現象の代表格は重力だ。重力は他の力と決してうまく付き合うことができず、宇宙を動かす他の力、つまり電磁力や核力と比べると途方もなく弱い。小さな磁石が、地球全体の重力に逆らって、大きな金属のスプーンを地面から持ち上げることができる。その理由は誰にも分からない。（重力は、他の力に特有の、ざわめく量子確率論とは異なる言語、つまり概ね滑らかな幾何学を話す。）

自然とは、当然のことながら、自然な原因で説明できる、予想通りのことを意味します。私の髪が白くなったのは、歳をとったからです。それは自然なことです。もし髪が自然に明るいピンク色に変わったら（私にとってはいい色だと思いますが）、それは非常に不自然で、何か原因を探し回らざるを得なくなるでしょう（いわば）。

最近、物理学者たちは「自然性問題」に真剣に向き合わざるを得なくなっている。ヒッグス粒子が発見されてから10年が経ち、巨大な機械と優れた頭脳を駆使した地球規模の努力にもかかわらず、この怪物は未だに自然化を頑なに拒んでいるからだ。重力と同じように、ヒッグス粒子も奇妙なほど弱々しい。その理由は誰も知らない。

不自然さに対する実証済みの解決策は、問題を説明する隠れた存在を見つけることです。例えば、シーソーがバランスを崩し、いつも片側が何の理由もなく飛び出してしまうとします。すると、賢い理論家たちが、目に見えない岩が片側を押さえていると予測します。彼らの計算は非常に正確なので、実験者はどこを探せばいいのかが分かります。そして最終的に、岩の存在を確認するのです。

皆、安堵のため息をつく。歓声と拍手。ノーベル賞。

自然であるためには――はっきり言って――新しいものは完璧にバランスが取れていなければならない。ダイヤルをいじる（物理学者が言うように、微調整する）必要はない。新参者を帰化させて原住民に同化させたり、球根を新しい環境に馴染ませるために「帰化」させるのとはわけが違う。物理学における自然とは、介入がないことを意味する。それは、小数点以下何十兆桁も正確に、完全に自らの意思で行われることを意味する。

これほどの精密さが求められるにもかかわらず、この修正は物理学においてあまりにも頻繁にうまく機能してきたため、今後もそれが起こらないとは考えにくい。スケールの隠された指を見つければ、対称性が戻り、調和が回復し、不都合な真実は消え去る。おまけに、物理学は進化し、広がり、新しいものを受け入れる。

ヒッグス粒子の出現は再び起こるのではないかと大きな期待を抱かせた。しかし、再び現れることはなく、巨大な岩も現れなかった。

何が間違っていたのかを理解するべく、私はある物理学者に話を聞きました。彼自身もどこか普通ではない人物で、「生まれながらの異端者」だと自称しています。黒人であること、中退率が60%のブロンクスの高校出身であること、ジャズサックスを演奏し、ヒップホップに強い影響を受け、ジャロン・ラニアー（二人ともユニバーサル・ヒップホップ・ミュージアムの創設科学者）といった人々と共同研究していることだけが理由ではありません。彼は物理学そのものに関しても多言語を操り、弦理論やループ量子重力理論といった、時に敵対的な立場の研究者とも対話できるという点で、異例の存在です。

ステフォン・アレクサンダーをアウトサイダーと考えるのは少々難しい。ブラウン大学で自身の名を冠した研究室を運営し、研究グループは宇宙の起源と構造、暗黒物質、そしてそもそも物質が存在する理由を探求している。「画期的な」科学の推進を誇りとするシモンズ財団は、最近、アレクサンダーの研究を支援するために100万ドルの助成金を交付した。彼は全米黒人物理学者協会の会長を務め、2冊の著書『Fear of a Black Universe: An Outsider's Guide to the Future of Physics』と『The Jazz of Physics: The Secret Link Between Music and the Structure of the Universe 』という高く評価されている著書を執筆した。 

現在、ステフォンはヒッグス粒子に非常に興奮している。「学生時代、これは何かの仕掛けだと思っていたのを覚えています」と彼は言う。「何かを動かすために仕掛けた理論上のトリックで、ドカンと音がするんです！」 新たに発見されたヒッグス粒子は、まさに予測通りだった。そして、全く受け入れがたいものだった。その質量は、同程度のスケールであるはずの粒子と比べて、不自然に小さいのだ。 

物理学における自然への偏愛は、統一理論、つまり基本的な物理的事象はすべて同じ全体像の一部であるべきだという考え方と結びついています。「電子は重力と対話しなければならないのに、なぜこれほど大きな隔たりがあるのでしょうか？」とステフォンは言います。「これらの事象は互いを認識しているはずです。共通の起源を持つはずです。」このアプローチは以前にも成功しています。電気と磁気は現在、電磁気学の一側面として理解されています。物質は凝縮されたエネルギーです。E = mc ²。

ヒッグス粒子は（今のところ）唯一無二の存在だ。測定可能な無のかけらであり、ノーベル賞受賞物理学者フランク・ウィルチェクが「真空のかけら」と表現した通りだ。ヒッグス場（十分に調整すればヒッグス粒子として現れる）は、他のすべてを取り除いた後に残る、空間を遍在するゼロではない何かである。それは、私たちの宇宙空間が到達し得る限りの空虚さである。しかし、「無」であるにもかかわらず、それは実に多くのことを行っている。 

一つには、ヒッグス粒子は粒子に質量を与えますが、その量は粒子によって異なります。軽い粒子（例えば光子）はすっと通り抜け、何のためらいもなく通り過ぎます。重い粒子は動きが止まります。彼らにとってヒッグス粒子は、自撮りをしないと通してくれないファンでいっぱいの部屋のような存在です。抵抗が大きければ慣性も大きくなり、質量も大きくなります。

現在の理論によれば、この目に見えない構造は、生まれたばかりの宇宙が狂乱した過熱状態から生まれた直後に凍結し、その後自然に低エネルギー状態に落ち着いたと示唆されています。このプロセスは、水が凍結することで構造が形成されるのと同じように、熱く溶けた無の完全な同一性を破壊しました。ヒッグス粒子は、冷たい窓に湿った空気が凝縮するように、最初の形のない無から凝縮しました（正式には「凝縮体」です）。 

ヒッグス粒子はあらゆるものに内在しているため、他の未解決の謎を繋ぐ入り口となる可能性を秘めています。暗黒物質の本質とは？そもそも物質はなぜ存在するのか？宇宙の加速膨張とは一体何なのか？これらはすべて同じ宇宙のパズルの一部なのか？

ヒッグス粒子は未来への道を約束した。しかし、これまでのところ、そのほとんどは行き詰まっている。

物理学は、そのルーツを忘れ、あるいは無視すると行き詰まるとステフォンは考えている。現代物理学の英雄たちは即興の達人であり、奔放な想像力を道具として受け入れた。それは必然だった。「私たちが行き詰まるのは、いつも」とリチャード・ファインマンは書いた。「私たちが使っている方法が、以前と全く同じだからだ。（中略）新しいアイデアを考えるのは非常に難しい。素晴らしい想像力が必要だ。」彼らは夢、芸術、哲学にインスピレーションを見出し、意識の役割を考え、論理だけでなく美学も尊重した。彼らは数学の先にある意味を探し求めた。

論争は壮絶でした。アインシュタインは、もし因果関係という古典的な概念を放棄しなければならないなら、物理学者になるより靴屋かカジノで働く方がましだと言いました。ニールス・ボーアはアインシュタインの態度をひどく非難し、大逆罪で告発しました。エルヴィン・シュレーディンガーは有名な言葉でこう嘆きました。「もしこの忌々しい量子ジャンプに固執しなければならないのなら、私はこれに関わったことを後悔する」。「私が学んでいた頃、これらの探求が正式な教育から除外されていたとは、実に興味深いことです。それが量子力学へと繋がる原動力となったのです」とステフォンは言います。

サックス奏者として、ステフォンは物理学とジャズの間に自然な繋がりを見出しています。ジャズは、時にワイルドな即興演奏、リフ、そして音楽的な対話によっても発展します。ジョン・コルトレーンはアインシュタインの理論の大ファンで、彼の晩年のアルバムの一つ『インターステラー・スペース』は一般相対性理論にインスピレーションを受け、その解釈が反映されています。さらに驚くべきことに、ステフォンはヒップホップの聖地で育ったことが物理学者になる助けになったと考えています。「ヒップホップのおかげで、今の自分の仕事の仕方が分かりました」と彼は言います。「ヒップホップ文化には、科学にとって本当に重要な要素がいくつかあるんです。」

重要な要素はサイファーだった。輪になり、ラッパーたちが順番に韻を踏み、共通のビートに合わせて即興で詩を紡いでいく。「こうしてラップミュージックが生まれたんだ」とステフォンは言う。「若い頃、これは大きな影響を与えた。誰の声も届く。それは自分のことではない。自分よりも大きな何かに奉仕する。それがサイファーだ。あらゆる創造性を生み出す原動力となる。物理学者もそこから何かを学ぶことができるはずだ」

彼は、サイファーのようなものを再現していた物理学科でポスドク研究員を務めていた。他の学科と違うのは、「クラブのメンバー」とみなされた人だけが参加を許されていたことだ。善意であっても、実際には「不自然」に見える物理学者、たとえば黒人や女性は排除されることが多い。何が自然であるかについての思い込みは深く根付いており、無意識である場合が多い。かつて、私が世界トップクラスの物理学者の一人（女性）のプロフィールを書いていたとき、私が執筆していた高級な出版物の編集者が、彼女の引用や話し方を変え続けた。「物理学者はそんな風に話さない」と編集者は言った。彼女が物理学者であり、一般的な男性モデルといくぶん異なるプレゼンテーションをするという事実は、どうやら関係ないようだった。ステフォンは、彼らしいブロンクスの話し方をする。

少しは分かります。アスペンで開催された物理学者限定の会合でステフォンに会ったのですが、黒人科学者だけでなく女性科学者も参加していて驚きました。物理学界の顔といえば白人男性ばかりで、科学メディアが反例を挙げることは滅多にありません。ですから、確かに驚きました。

テニスクラブのプールの飛び込み台に足を踏み入れた時のことを思い出した。「大人はあそこに上がっちゃダメだよ」と少年に言われた。最初は意味が分からなかった。それから周りを見回すと、私と同年代の女性たちが白い服を着てテーブルを囲み、ジントニックを飲んでいた。私は「不自然」だった。「不自然」という言葉は、たとえ誰も口に出さなくても、「立ち入り禁止」という意味に解釈されることが多い。

科学におけるインクルージョンとは、「不自然な」意見や多様な視点を受け入れることを意味する限りにおいて、ステフォンは全面的に賛成だ。「しかし、ルールはあります」と彼は言う。物理学が白人至上主義的だという主張は彼を激怒させる。なぜなら、彼らのメッセージは「物理学は私たちのものではない」というものだからだ。「これは私にとって非常に個人的で、力強い問題です。格差について他人に言われる必要はありません」。白人至上主義的な科学という主張は「危険なほど誤解されている」。

宇宙はありのままの姿だ。「シュレーディンガー方程式は誰にとっても同じです」とステフォンは言う。「宇宙人でも同じでしょう」。彼が通っていたブロンクスの高校（生徒数6000人）では、物理学に必要な数学は教えられていなかった。しかし、彼は他の数人の生徒と共に、ニューヨーク市立大学で微積分を学ぶ機会を得た。「あの機会がなかったら、成功はできなかったでしょう」

ヒップホップの影響はサイファーだけにとどまりませんでした。ヒップホップというと、世間一般では「ギャングやフーリガン」を連想させることが多いとステフォンは言います。「でも、僕のヒップホップはそういうものじゃなかった」。ヒップホップ文化には、DJ、ブレイクダンス、グラフィティ、ラップ（そしてギャングスタリズム）など、様々な要素が含まれています。「でも、5つ目の要素として『知識』があります。僕はヒップホップが科学を捨て去ることだと考えていた場所から来たんです。『知識は生まれよ！』という格言があったんです！」

ステフォンがもはや不適合だとは考えにくいものの、ヒッグス粒子は依然として突出している。本来あるべき質量の1兆分の1も小さいのだ。「馬鹿げた数字は好きではないんです」とステフォンは言う。そのため、ステフォンは他の物理学者たちと共に、この「自然さ」という概念自体がもはや意味をなすのかどうか疑問に思っている。「ヒッグス粒子に関して興味深いのは、対称性や数学について問うのではなく、物理学について問うているということです」と彼は言う。「ヒッグス粒子は物理的な存在で、実際に質量に関与しています。それは必然的なものです。しかし、問題は『ヒッグス粒子とは何か』ということです」

それは複数の「天然」粒子の複合体かもしれないし、もっと大きなファミリーの一員かもしれない。あるいは、とんでもない話かもしれない。「もし天然というものがそもそも存在しなかったらどうなるか想像してみてください！」とステフォンは言う。「問題を作り出してしまうと、そもそもその問題は存在しなかったことに気づくんです。私の大きな夢は、この天然という問題がそもそも存在しなかったことです。それが私の空想です。」

宇宙は既に、私たちの脳内やブラックホール内部で、時空を粉々に引き裂く、時空を歪ませる、量子泡のような、極限のとんでもない存在であることが証明されている。ブラックホールはエネルギーが溢れかえり、銀河を押し広げているように見える真空だ。しかし、この極めて奇妙な生息地は、私たちだけでなく、スナメリ、ケガエル、ミツキザメの生命維持にも役立っている。私たちの頭蓋骨の中にある、わずか3ポンド（約1.4kg）ほどのちっぽけなニューロンの塊が、そんな宇宙を理解できると、一体どうして思うのだろうか？

私たちがそうするという事実自体が不自然だと言う人もいるかもしれません。もしかしたら、自然のありのままを自然に任せ、科学者にはそれを理解するために必要なだけ外に出てもらうのが正解なのかもしれません。