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(25.9.26) NHK 神の数式その2 「宇宙はなぜ生まれたか」

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 本件は「神の数式」その1の続きです。その1は以下参照。
http://yamazakijirounew.cocolog-nifty.com/blog/2013/09/nhk-1793.html

 だから言わんこっちゃないという状況になってきた。NHKが放送した「神の数式」シリーズをブログに掲載することである。
もともと私は物理学に弱い。全く分からないといったほうが早いのだがNHKが「神の数式、 宇宙はなぜ生まれたか」という番組を放映したために無理してでも書かざる得なくなった。
その1」を記載した以上「その2」を書かないと何とも片手落ちになり、精神が安定しないからだ。

 この番組に登場する理論物理学者とは頭脳と数式だけで宇宙の始まりを解き明かそうとする人たちだが、数式は神によって授けられており、それを数学者が発見する試みだと思われている。
神の意志を知る試みだから何か一種の宗教みたいだ。

 この神の数式へのアプローチは二つあって一つは素粒子の存在とその運動を完全に説明できる素粒子理論標準理論ともいう)と、もう一つはアインシュタインが発見した重力の数式、いわゆる一般相対性理論だという。
素粒子理論はミクロの世界を記述している数式で一方一般相対性理論はマクロの世界を記述している数式である。
素粒子理論については私は全く知らなかったが、一般相対性理論は何回か聞いたことがある。
簡単に言うと「重さやエネルギーがあると空間が歪む」ということで、太陽の周りの空間は歪んでいるので太陽の背後にある星の光がまがって地球に届くはずだとアインシュタインは予言した。
この予言は皆既日食の観測で見事に証明されたので空間が歪んでいることはその後の世界の常識になった。

 この一般相対性理論によれば究極に小さな星がありその重さが極端に重い場合は、歪みは底なしになってすべての物を吸い込むブラックホールになっていると考えられた。
一般相対性理論からブラックホールが導き出されたのだ
だがここには一つの難問が横たわっていたのだそうだ。車いすの天才物理学者ホーキングが提出した難問で、「もし物質が究極的に微少で素粒子間の距離がゼロならば空間のゆがみは計算できない」という難問だった。
一般相対性理論では空間のゆがみはブラックホールとの底との距離の3乗に逆比例すると考えられたが、距離がない以上分母がゼロになって計算不能に陥るからだ。

 世の中でこの分母0の問題ほど不思議な問題はない。私が中学で数学を学んだ時にゼロで割ってはならないと何回も教えられたが、どうしてもその理由が分からなかった。
なぜ数学ではゼロで割れないのだろうか・・・これは数学の欠陥なのではなかろうか・・・・・
今でも不思議だが、数式の計算で分母にゼロが現れるとその時点で数式が不能に陥り意味をなくしてしまう。
完璧と思われる数学の唯一と言っていい欠点はこの分母ゼロの問題だ。

 ホーキングが言ったのはブラックホールの底では一般相対性理論が成り立たないのだから、これは完全な数式神の数式)ではないということだ。
この難問の解決には一般相対性理論に素粒子の標準理論を結合させる手法が有効ではないかと考えられた。なぜならブラックホールの底は完全に微粒子がこちこちに固まった場所と考えられたからだ
だがどのように計算しても分母にゼロが現れ計算不能になってしまい、この結合は失敗だと思われた。
だめだ、一般相対性理論と素粒子理論は何の関係もない」ほとんどの物理学者が匙を投げてしまった。

 この分母ゼロの問題を解決したのが若き研究者だったジョン・シュワルツジョエル・シャークでその理論は超弦理論といわれた。
私などは超弦理論と言われても何のことか知らなかったが、素粒子は点ではなく震えるゴムのような輪っかだという理論である。
もし輪っかであればブラックホールの底との距離はいくらか間が空いておりゼロでないので一般相対性理論はブラックホールの底でも成り立つという理屈になる。

 これによりホーキングが提唱した分母ゼロの問題は解決するのだが、この超弦理論には新たな難問が発生した。
ゼロでないことは分かったが、しかし超弦理論による一般相対性理論と素粒子理論を結合させた計算結果は10次元になることだった。
この世界は4次元なのに超弦理論による計算の世界は10次元になってしまうよ。後の6次元はどこにあるの、シュワルツさん
シュワルツは多くの物理学者から嘲笑されたという。

 これに対しシュワルツは何度も計算をやり直しついに次の結論に達した。
この世界が4次元に見えるが、実際は隠された次元がありそれは超ミクロの世界に存在するために通常は見ることができない
このシュワルツの計算は今で理論物理学者の常識になっており、宇宙は10次元最新の計算では11次元)でその存在をSERNの研究所で実験によって確かめる試みが現在行われている。

 しかし超弦理論による神の数式になお疑問を提示したのがホーキングで、それはホーキングのパラドックスと言われた。
ブラックホールの底では粒子が全く動かないのに、計算上熱が発生するのはなぜか
超弦理論での説明にまだ矛盾があるとの指摘に、世界の物理学者は頭を抱えた。
確かに動けなければ熱は発生しない・・・・・・・・・・

注)私はこの番組を見てホーキングは相当の皮肉屋だと思った。

 これ難題を解決したのはポルチンスキーで弦は個別にあるのではなく膜のようになっており膜の隙間を弦が動き回っている(ただしこの説明は私には理解不能だった)。したがってブラックホールの底で熱が発生するのだというのだ。
かくして現在「神の数式」にもっとも近い数式は超弦理論による一般相対性理論と標準理論の結合だとされている。

 これによって完全に宇宙の始まりは説明されたのだろうか。私にはさっぱり分からないが物理学者は相当程度「神の数式」に近づいたと自信を持っているようだ。

注)本当にNHKには苦労させられる。よくぞこんな番組を制作したと私はあきれ返ってしまった。

 

 

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コメント

アインシュタインは、14歳の時に合わせ鏡を見ている時に、”自分が光になって鏡の間を往復したら、どう見えるのだろう?”という疑問が生じたそうです。(子供の直感的な感覚です)

アスペルガーだった彼は、この問題に没頭したそうですが、答えは見つかりませんでした。後に物理学者を目指しますが、高校物理の成績は5段階評価でたったの3。大学をようやく卒業しても、研究員にはなれませんでした。

職が無いと困るので、特許庁に勤め、ノルマを3時までにこなして、3時からは物理学を思考する事に終始しました。いわゆる、”物理オタク”です。非常に幸運だったのは、物理学者の友達と、連日、議論をする機会に恵まれ、自己満足のオタク道に入らなかった事です。(奥さんも物理オタク)

趣味人として、物理学学会誌に投稿を続け、次第に研究者に認識される様になりますが、依然として、特許庁職員しか職がない。ところが、これもまた幸運ですが、当時の物理学者はドイツなどの一部地域に偏析していた為、彼は誰とでも会う事ができました。そして、議論をしたのです。

彼がノーベル賞を取れたのは、他人の実験論文を読んで、”光電効果(E=hν)”を発見したからですが、これが日本だったら、ノーベル賞は取れなかったでしょう。何故なら、ノーベル賞は一般研究員の投票で決まるからです。彼は、日頃議論をしている研究者達の投票を受けて、ノーベル賞受賞となりました。意外とローカルな世界なんです。

相対性理論は、その頃の物理学者は、既に気が付いていました。(ローレンツ収縮はローレンツが発見)アインシュタインだけが発見した訳ではありません。ノーベル賞を受賞したアインシュタインは、その職業と栄誉のあまりの乖離に驚き、宣伝作戦を思いつきます。そして、多数の素人向け本を出版した結果、まるで、相対性理論が彼の物の様になってしまいました。オタク、恐るべし、です。(笑)

(山崎)とても面白い話でした。ありがとうございます。

投稿: PERO | 2013年9月30日 (月) 14時17分

PEROさんのコメントは非常におかしなものです。アインシュタインがノーベル賞を受賞したのは1921年です。その頃には、アインシュタインの業績は高く評価されており、いつノーベル賞をとってもおかしくない状況でした。
ブラウン運動の理論論的説明、光量子仮説による光電効果の理論、特殊および一般相対性理論、個体比熱理論、ボース=アインシュタイン凝縮など、どの研究もノーベル賞級です。

どの業績に対してノーベル賞を与えるのか考えた場合、当時実験による実証が得られている光電効果となったのでしょう。その他のものは実証が得られるまでかなりの年数が必要でした。
ノーベル賞の推薦人はノーベル賞委員会が世界中の研究者の中から選ぶのであり、決してローカルな推薦ではありません。したがって、日本人であっても、もし光量子仮説による光電効果の理論の論文を書いたならば、有力なノーベル賞候補となったでしょう。

静止している座標系と運動している座標系の古典力学と電磁気現象との整合性を保つ理論をいろいろな物理学者が考え、提唱したのは事実です。しかしながら、多くの物理学者がエーテル仮説から逃れることができず、ローレンツ収縮という実験事実と矛盾する結論しか導き出せませんでした。ローレンツもエーテルの存在を認め、時間、光速度が一定としており、多くの物理学者と同じレベルでした。

アインシュタインはあらゆる座標系で光速度不変を仮定し、物理法則の相対性と併せて時間の進み方が観測者によって異なるとして、古典力学と電磁気学の矛盾を解決したのです。特殊相対性理論では、同時という状態が座標系によって異なるために物体が収縮しているように観測されるとしており、ローレンツらの物体そのものが収縮するとするローレンツ収縮とは異なります。したがって、相対性理論はアインシュタインが考え出したものであるというのが妥当だと思います。

NHKの一般向け科学番組はテレビの性格上説明が簡素になり、十分な理解が得られない、あるいは誤解を招くことがどうしてもおこります。『神の数式』も突っ込みどころ満載なのですが、1時間番組は新書10ページ分だそうですから、この番組に対してどうのこうのと言っても仕方のないことです。ですから、この番組で素粒子論および現代宇宙論に興味を持った視聴者は他の媒体で勉強し、より正確な知識を身に着けるしかないでしょう。

余計なお世話かもしれませんが、より詳しく一般向けに書かれた新書が出ていますのでそれを読むことをお勧めします。著者は世界的な理論物理学者の大栗博司先生です。
『重力とは何か』、『強い力と弱い力』。いずれも幻冬舎新書。『大栗先生の超弦理論入門』、ブルーバックス。この3冊を読めばより正確なイメージを描くことができるようになると思います。

付け足しですが、『クローズアップ現代』の異常気象に関する番組はひどいものでした。これを取り上げたブログの時にコメントしようと思ったのですが、一般向けテレビ番組に突っ込んでも、それを無批判に信じてしまっている人には無駄だろうと考えやめました。テレビ番組は、より正確な知識を得る勉強を始めるきっかけとすべきで、信じるのではなく批判的に視聴すべきものと思います。

投稿: かさなま | 2013年10月 1日 (火) 14時26分

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