第 3 章宇宙の運命はどうなるのか ? 0 rsuMIRej 計画ン 全宇宙の暗黒物質の 3 次元地図をつくる 「 SuMIRe 」計画では、全宇宙の暗黒物質地図をつくろうとしてい ます。空の広大な領域をくま安く観測し、重力レンズ効果を利用し、 暗黒物質の分布を復元するのです。じつは、世界の 8m 級の望遠鏡の なかで、すばる望遠鏡のカメラは最大の視野を持っています。それで も、広大な宇宙地図を作成するためには、膨大な時間がかかってしま います。このため、 IPMU や国立天文台を中心とする研究グループは、 さらに 10 倍のスヒ。ードで宇宙地図を作成することを可能にする超広視 野カメラを開発しています。これが SuMIRe 計画であり、宇宙をうめ っくす星、銀河、暗黒物質、さらには暗黒エネルギーを解き明かす 壮大な宇宙ゲノム計画なのです。 「 SuMIRe 」計画では、加速膨張の宇宙のなかで宇宙の多様な構造 の形成過程をかげで操っている暗黒物質の非一様な分布がどのように 進化してきたかを確かめる実験が始まります。すでに準備は始まって いて、暗黒物質の 2 次元地図が少しずつできあがっています。しだい に明らかになってくる暗黒物質の 2 次元地図のデータと、吉田先生の コンヒ。ュータ・シミュレーションによる宇宙の進化のデータを重ね合 わせることで、暗黒物質の重力が宇宙の構造にどう関わったかを、歴 この実験は、宇宙の広大 史的に追うことができます。さらに なスケールにおける重力がほんとうはどのようなものなの かを、あらためて確かめる研究です。 その研究だけでも十分おもしろいのですが、 IPMU では、さらに暗 黒物質の 3 次元地図をつくろうという計画もあるのです。図の 3 次元画 120

第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? 異次元世界とは、どんなところ 5 次元時空では家の ll が片付く ! ? ひも理論は、 4 次元時空と思われていたこの世の中に、さらに 6 次元 の方向が隠れていて、時空の次元は全部で 10 次元であることを予言し ます。いきなり 10 次元時空を理解することはむずかしいので、 3 次元、 2 次元といった低次元世界や、 5 次元、 6 次元など比較的 してみます。 10 次元時空に住むひも理論 を、もうすこし身近な存在として感じられるように異次元世界にイメ ージを広げてみましよう。 まず、次元という言葉の意味を復習してみます。番地や目印になる いくつの数字を 物がないような場所で誰かと待ち合わせするときに こから東 指定する必要があるかを考えてみましよう。たとえば、 に 50 メートル、北に 30 メートル、高さ 10 メートル行ったところの P 点 で 15 分後に待ちあわせしようと言った場合には、 ( 50 , 30 , 10 , 15 ) という 4 つの数値を指定する必要がありますね。このように、正確に を時空の次元と呼 びます。今の例では 4 つの数値を指定する必要があったので、時空の 次元は 4 次元というわけです。 空間の方向が直線であるような世界を考えてみましよう。この場合、 その直線上のどこかを示す数値と時間が決まれば、待ちあわせが可能 です。したがって、このような場合の時空の次元は 2 次元 ( 空間 1 次元 と時間 1 次元 ) です。ただこの世界に住んだとしたら、一生、おとな りの人としか会えないことになります。これは寂しいですね。 3 次元時空 ( 空間 2 次元と時間 1 次元 ) の例は、空間が平面であるよ お近くの 次元を頭の中で散策 待ち 合わせをするために必要な数値の数 164

うな場合です。この世界に住むには、ペタッと壁に張り付いた になるでしよう。 2 次元時空の場合とちがって 回り道ができるので、お隣さんの向こうの、遠くの友達に会いに行く ことが可能です。 5 次元時空、 4 次元時空に、空間の方向がもう 1 っ余分に加わった世 界になります。その風景を視覚的にイメージしようとするとむずかし いのですが、 5 つの数値を与えると場所と時間が指定されるような時 空という具合に数学的に理解するのはそれほど難しくはないでしよう。 この要領でいけば、たとえ 6 次元でも 7 次元でも、 100 次元でも、同じ ように理解することができます。 時空の次元が 5 次元 ( 空間 4 次元と時間 1 次元 ) のときには、私たち が日常生活で感じることができる次元よりも次元が 1 つ多いので、 4 次 元時空では交差できない、通り抜けられない位置関係のものが、余分 の 1 次元方向に身をかわすことで することがあります。この世界では、交差する ひももたがいに通り抜けてしまうので、ひもを結ばうとしてもすぐに ほどけてしまいます。また、次元が 1 つ多くなるわけですから、もの を収納するスペースも 1 次元分増えて、家の中は片付くかもしれませ ん。ドラえもんの 4 次元ポケットは、そのなかの空間が 4 次元になって リのような生活 するりと交差したり、通 り抜けられたり いるものと思われます。 4 次元時空 3 次元十時間。縦横高さ 3 方 向で位置が決まるこの世界。 3 次元時空 2 次元十時間。壁をはうヤモ リのように縦横 2 方向 ( 平面 ) にしか動けない。 5 次元時空 165 通り抜けてしまう。 が増えると交差させたひもも 4 次元十時間。もうーっ次元

第 1 章宇宙はどのように始まったのか ? その膨張スヒ。ードは、光速を越えた ! 宇宙の急膨張「インフレーション」 10 次元か 11 次元の宇宙が生まれたとします。そのあとはどうなり ますか ? 10 次元空間が誕生したとしましよう。空間が 9 次元、時間 1 次元のう ち、空間 6 次元分が見えないくらい小さく丸まって、 3 次元空間になり 空間 6 次元が見えないくらい小さく丸まって・・・、というのはどんな 感じですか ? では、 2 次元空間を 1 次元分、小さく丸める場合について考えてみ ます。もとは 2 次元ですから、平面です。この平面を表す薄つべらな この紙を、のり巻きのようにくるく 紙を想像して下さい。 る丸めて、極限の細さにします。すると、少し離れた場所から見ると、 もはや紙 ( 平面 ) ではなく、線に見えるでしよう。線なので、 1 次元 です。 1 次元分が小さく丸まって、 2 次元が 1 次元になってしまったの です。こんな感じです。 とにかく、私たちの住んでいるのと同じ 3 次元空間が生まれたと。 それからどうなりました ? 私たちの住む 3 次元空間と同じといっても、生まれたばかりの宇宙 はとても小さかったのです。そこに突然、信じられないできごとが起 38

第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? ひも理論の驚くべき予言 この世の時空の次元は、 10 次元である ひも理論が魅力的な理由の一つは、この世の時空構造について驚 くべき予言をしているところです。私たちが住んでいるこの宇宙に は、 3 次元方向に広がる空間があります。この 3 次元の空間と時間方向 の 1 次元を合わせて、時空の次元が 4 次元であるという言い方もします。 ところが、ひも理論はこの世の時空の次元が 10 次元であることを予 言するのです。 4 次元時空と思われているこの世の中に、じつは目に は見えない余分な空間方向がもう 6 次元も存在しているというのです。 SF の描く世界を通り越しています。 10 次元といわれても、イメージできませんね。 感覚的にとらえることはむずかしいと思います。余分な方向が 6 つ、 どこかに隠れていると思ってください。なぜこのような予言が成立す るかというと、 10 次元でない時空でひも理論を組み立てようとすると、 理論的にいろいろとおかしなことになるからです。 たとえば、「こういう事が起こる 」などという計算結果が出たりします。このように解釈の しようがない答えが出てきてしまうような理論は、物理の理論として は認められません。一方、 10 次元時空ではそのようなおかしなことは 起こらず、まともな理論になります。そういうわけで、ひも理論では 時空の次元が 10 次元であると考えるのです。 確率はマイナス 30 バー 4 162

残りの 6 次元空間は、どこにあると考えられていますか いかなる顕微鏡をもってしても見えないくらい、小さく丸まってい ると考えられています。このように ように聞こえるでしようが、非常に細長いストローを想像してみ てください。ストローの表面は 2 次元ですが、ストローの太さが目に 見えないくらい細ければ、実質 1 次元的に見えるでしよう。これと同 じように、 9 次元の空間のうちの 6 次元分が非常に小さく丸まっている と、空間の次元は実質 3 次元ということになります。 説明すると突拍子もな なぜ 4 次元時空が大きく広がって、余分な 6 次元の方向は小さく丸 まっているのですか じつは、その理由はまだわからないのです。余分な空間の大きさは 大きくても小さくても理論としては矛盾が生じたりはしないので、小 さくなっていなければならないと理論的に予言できるわけではあり ません。これは ひも理論が宇宙のあらゆる謎を解く究極の理論になりうるとしたら、 時空が 4 次元方向だけに大きく広がっている理由も説明できるはずだ と多くの人が期待しているのですが、まだ誰もが納得できるような説 ひも理論最大の悩みの一つ でもあります。 明には至っていません。 ひも理論が予言する 10 次元時空 0 4 次元方向は大きく広がる 余分な 6 次元 方向は小さす ぎて見えない 163 ↑

私たち研究者はまだ成功していません。しかし、かなり近いところま で行っている理論があると考えています。それが、超ひも理論です。 超ひも理論では、宇宙の始まりをどのように考えるのですか ? 生まれてすぐの宇宙は、いま私たちがいるような、空間が縦横高さ の 3 次元ではなく、あと 6 次元か 7 次元、時間を加えると全部で 10 次元、 あるいは 11 次元の宇宙だったのではないかと考えています。生まれた ての宇宙は 10 次元で、そこにはひもが浮かんでいる。そ のひもが楽器の弦のように多様に振動することで、物質を構成する素 粒子や、重力や電磁気力などの力に関わる素粒子も生まれているとい う説です。 ますますわからなくなってしまいました このあと ( 第 4 章 ) 、ひも理論を研究している杉本先生がくわしく解 説してくれると思います。 強まれい 37

の りました。そのひとつに、プレインワールドがあります。 10 次元時空 の中に 4 次元方向に広がった D プレインが埋め込まれていて、宇宙が この 4 次元の D プレイン上に実現されているというアイデアです。プ レインワールドでは、私たちの身体 ( 物質 ) は D プレインにくつつい た開いたひもからできていて、 D プレイン上に束縛されていると考え このプレインワールドのアイデアは、まだ現実的な理論になりう るのかどうかよく分からない面が多いのですが、 新しいアイデアとして注目され、今 でも多くの研究者が研究をしています。 D ブレインとは ? 開弦 から 4 次元の世界を得る D ブレイン 19 年代後半、ひも理論に「 D プレイン」と呼ばれる膜状に広 がった物体が存在することが 見出された。 開いたひもの端は必ず D ブレインに乗るという性質がある。 ひも理論は実は、ひもだけの理論ではなかった ! D ブレインの応用ブレインワールド 余分な 6 次元 方向はブレイ ンに垂直 0 4 次元方向に広がった D ブレイン 169

像は、すばる望遠鏡とハップル宇宙望遠鏡を使ってつくられた、世界 ではじめての暗黒物質の 3 次元地図です。宇宙の奥深くをとらえるハ ップル宇宙望遠鏡の特長と、より広い視野をとらえるすばる望遠鏡の 特長を組み合わせ、両方のデータを再構成することで、見えないはず の暗黒物質をここまでリアルにとらえることができるのです。 暗黒物質を 3 次元でとらえることができれば、 CT スキャンで人間の 身体を輪切り状態に画像化して詳しく検査するように、暗黒物質も輪 切り状態に画像化して精密検査ができるはずです。この研究をすば る望遠鏡の超広視野カメラの大規模な銀河サーベイに適用すること で、これまでにない規模の暗黒物質の 3 次元地図を作ろうというのが SuMIRe 計画です ! 夢がどんどん広がりますね。 研究が進むほど新しいデータがどっと出てくるでしようから、研究 に終わりはありません。 IPMU は、なによりも宇宙の謎解明に挑戦し たいという方々ばかりで、それも世界最先端で活躍している研究者が 数多くいるのでとても刺激的です。 すばる望遠鏡、ハップル 宇宙望遠鏡の観測データを もとにつくられた、 暗黒物質の 3 次元地図 ( 写真 NASA 、 ESA 、 and R. Massey) 121

第 4 章宇宙はどんな法則に支配されているのか ? ひも理論は究極の統一理論か ? ひも理論の間題点いろいろ ひも理論では、 4 つのカの中でいつものけものになっていた重力は 説明できるのですか。 そうなのです。前節のようにして生じる力を詳しく調べてみると、 のけものだった重力を自然に含んでいることが分かったのです。しか も驚くべきことに、前に述べた「発散」が奇跡的に打ち消し合って、 ミクロの世界を記述する量子力学とアインシュタインの一般相対性理 を見事に解決しているこ とが分かりました。 を融合するという長年の問題 ということは、究極の理論ということですか あらゆる素粒子をたったひとつのひもで表し、物質とカの起源をも 統一し、しかも重力を自然に含んでいるという特長は、統一理論とし てはこれ以上ないくらいうまくできているところです。そのため、ひ も理論は究極の統一理論の候補と言われています。 しかし、まだこれで完璧とまではいえず、克服しなければいけない あります。くわしく説明するとたいへんな のですが、例えば、実験で見つかっている素粒子をひも理論で完全に 再現できるかというと、今のところまだ「かなり近いものが得られ る」というレベルで、完全というまでには至っていないのです。また 後で説明しますが、ひも理論によれば、この世の空間の次元が 3 次元 ではなく、さらに余分な次元が存在することが予言されます。この余 問題点はいろいろ 160