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えーと、量子重力の基礎と、そこから描かれる世界の姿については、これまで説明してきた通りなんですけど、最後の章では、その理論から導き出されるいくつかの推論について、ちょっくら話していこうかなと思ってます。例えば、ビッグバンとかブラックホールみたいな現象について、理論が何を教えてくれるのか、みたいなね。それから、この理論を検証するための実験の現状とか、僕自身が自然から何を感じ取っているのか、特に、期待されてた超対称性粒子が見つかってないこととかについてもお話したいな、と。
うん、まだね、世界の理解には欠けてる部分があるから、それについて、いくつか考えてることを最後にまとめて、特に熱力学的な側面とか、量子重力みたいに時間とか空間を含まない理論の中で、情報がどんな役割を果たすのか、時間の再出現とかね、そんなことを話せたらなと。
ま、全部ひっくるめて、既知の最先端に私たちを連れてってくれるわけで、そこから未知の世界を眺めながら、身の回りにある巨大な謎について考えてみましょう、と。
1927年、若いベルギー人の科学者、イエズス会の教育を受けたカトリックの神父さんが、アインシュタインの式を研究して、アインシュタインと同じように、宇宙が膨張するか収縮するかのどっちかだってことを予言してることに気づいたんだよね。でも、この神父さんは、アインシュタインみたいに、その結果を認めようとしなかったり、なんとかして避けようとしたりせずに、その結果を信じて、天文データを探して検証しようとしたんです。
当時はね、「銀河」って言葉はまだ使われてなくて、「星雲」って呼ばれてたんだよね。望遠鏡で見ると、天体の周りの乳白色の小さな雲みたいに見えたから。当時は、それが私たちの銀河みたいに、遠くて巨大な星の集まりだってことは、まだ知られてなかったんだ。でも、この若い神父さんは、銀河に関する数少ないデータが、実は宇宙が膨張してるって可能性を支持してることに気づいたんだよね。近くの銀河はすごいスピードで遠ざかってるし、遠くの銀河はもっとすごいスピードで遠ざかってる、まるで空に打ち上げられたみたいにね。宇宙はまるで風船みたいに膨らんでる、と。
2年後、アメリカの天文学者、ヘンリエッタ・リービットとエドウィン・ハッブルが、その考えを裏付けたんだ。リービットは、星雲までの距離を測るいい方法を見つけて、それがものすごく遠くて、私たちの銀河の外にあるってことを確認したんだよね。ハッブルは、その方法とパロマ山天文台の巨大な望遠鏡を使って、正確なデータを集めて、銀河が距離に比例した速度で遠ざかってるってことを証明したんです。
でも、このベルギーの若い神父さんは、1927年にはもう、その重要な推論に気づいてたんだよね。もし、私たちが石が上に飛んでるのを見たら、それはその石が低い場所に置かれてて、何かが上に投げたってことを示してるじゃない？もし、銀河が遠ざかってるのを見たら、宇宙が膨張してるのを見たら、それは銀河が昔はすごく近くて、宇宙がもっと小さくて、何かがそれを膨張させ始めたってことを示してるんだ、と。この若い神父さんは、宇宙は最初、ものすごく小さくてギュッと詰まってて、巨大な爆発で膨張し始めたんだって提唱したんだ。彼はこの最初の状態を「原始原子」って呼んで、今では「ビッグバン」って呼ばれてるんだよね。
彼の名前はジョルジュ・ルメートル。フランス語では、その名前は「巨匠（メートル）」みたいに聞こえるんだけど、ビッグバンに最初に気づいた人にとって、こんなにふさわしい名前はないよね。ま、名前はともかく、ルメートルはすごく控えめな性格だったんだよね。議論を避けたり、自分が最初に宇宙のビッグバンを発見したって主張することもなかったから、結局、その発見はハッブルのものになっちゃったんだ。彼の偉大な知恵を示すエピソードが2つあって、1つはアインシュタインに関するもので、もう1つはローマ教皇に関するものなんだ。
前に話したように、アインシュタインは宇宙の膨張に懐疑的だったんだよね。彼は宇宙が静止してるってずっと信じてて、宇宙が膨張するって考えを受け入れられなかったんだ。どんなに偉大な科学者でも間違いを犯すことはあるし、先入観に囚われることもあるよね。ルメートルはアインシュタインに会って、自分の偏見を捨てるように説得しようとしたんだけど、アインシュタインは拒否して、ルメートルに「計算は正しいけど、物理が間違ってる」って返したんだ。その後、アインシュタインはルメートルが正しかったって認めざるを得なかったんだけどね。アインシュタインに反論できる人なんて、そうそういないよ。
同じことがもう一度起こったんだ。アインシュタインは宇宙定数を導入したんだよね。それは、彼の式に対するすごく小さいけど重要な修正で、彼が（間違って）式を静的な宇宙と両立させようとしたものなんだ。彼が宇宙は静的じゃないって認めざるを得なくなった時、今度は宇宙定数に矛先を向けたんだ。ルメートルは、もう一度アインシュタインに考えを変えるように説得したんだよね。宇宙定数は、宇宙を静的にすることはできなかったけど、それ自体は正しくて、式から取り除く理由はないって。今回もルメートルは正しかったんだよね。宇宙定数は、宇宙の膨張を加速させたんだけど、その加速はすでに測定されてるんだ。またしても、アインシュタインは間違ってて、ルメートルが正しかったんだ。
宇宙がビッグバンで始まったって考え方が受け入れられ始めた時、教皇ピウス12世は、公開講演（1951年11月2日）で、この理論が創世記の天地創造の記述を裏付けてるって宣言したんだ。ルメートルは教皇の見解をすごく心配したんだよね。彼は教皇の科学顧問と連絡を取って、神創論とビッグバンの関連について話さないように教皇を説得するために、できる限りのことをしたんだ。ルメートルは、科学と宗教を混同するのはすごく愚かなことだって考えてたんだ。《聖書》は物理学について何も知らないし、物理学も神について何も知らない、と。ピウス12世は忠告を受け入れて、カトリック教会はそれ以来、この話題について公に話すことはなかったんだ。教皇に反論できる人なんて、そうそういないよね。
もちろん今回もルメートルは正しかったんだ。今では、ビッグバンは本当の始まりじゃなくて、その前に別の宇宙があったかもしれないって可能性について、たくさんの議論があるんだよね。想像してみてよ、もしルメートルが教皇を説得してなかったら、ビッグバンと創世が同じものになってて、カトリック教会が今、どんなに気まずい立場に置かれてるかって。「光あれ」を「もう一度明かりをつけろ」に変えなくちゃいけなかったんだから！
アインシュタインと教皇に疑問を投げかけて、2人とも自分たちが間違ってたって納得させて、しかも2回とも正しかったなんて、本当にすごいことだよ。彼は「巨匠（メートル）」の名にふさわしいよね。
今では、証拠はほとんど圧倒的だよね。遠い昔、宇宙はものすごく高温で高密度で、それ以来、膨張し続けてるんだ。私たちは、その最初の高温で高密度の状態から始まって、宇宙の歴史を詳しく再構築できるんだよね。原子、元素、銀河、天体がどうやって形成されて、どうやって私たちが今日見ている宇宙に進化したのかも知ってるんだ。最近では、主にプランク衛星によって行われた、宇宙に遍在する放射線の大量観測が、ビッグバン理論を完全に裏付けてるんだ。私たちは、過去140億年間に、宇宙が火の玉から始まって、大規模に何が起こったのかをかなり正確に理解してるんだよね。
考えてみてよ。「ビッグバン理論」って言い方は、もともとこの理論の反対者が、そのアイデアがばかげてるように見えるように、からかうために作ったものなんだ…なのに結局、私たちはみんな、140億年前には、宇宙は確かに圧縮された火の玉だったって説得されちゃったんだから。
でも、この最初の高温で高密度の状態の前には、何があったんだろう？
時間を遡ると、温度が上がって、物質の密度とエネルギーも大きくなるんだよね。140億年前のある時点で、プランクスケールに達するんだ。その時点で、一般相対性理論の式はもう当てはまらなくなるんだよね。なぜなら、その時点では、量子力学を無視することができなくなるから。私たちは、量子重力の領域に足を踏み入れることになるんだ。
140億年前の何が起こったのかを理解するためには、量子重力が必要なんだ。この問題について、ループ理論は私たちに何を教えてくれるんだろう？
似てるけど単純化された状況を考えてみよう。古典力学によれば、原子核に直接落ち込む電子は、原子核に飲み込まれて消えてしまうはずなんだけど、実際はそうはならないんだよね。古典力学は完全じゃないから、量子効果を考慮に入れる必要があるんだ。本当の電子は量子物体で、決まった軌道を持たなくて、それをすごく小さい領域に閉じ込めることはできないんだ。中心に近づけば近づくほど、速く飛び去ってしまうんだよね。もし、それを原子核の周りに固定したいなら、私たちにできるのは、それを一番小さい原子軌道に入れることだけで、原子核にそれ以上近づけることはできないんだ。量子力学は、本当の電子が原子核に落ち込むのを防いでくれるんだ。電子が中心に近づきすぎると、量子反発力がそれを押し戻してくれるから。だから、量子力学のおかげで、物質は安定してるんだ。量子力学がなかったら、電子は原子核に落ち込んで、原子もなくなるから、私たちも存在しないんだ。
このことは、宇宙にも同じように当てはまるんだよね。私たち自身の重さで押しつぶされて、ものすごく小さくなった高密度の宇宙を想像してみよう。アインシュタインの式によれば、この宇宙は無限に圧縮されて、ある時点で完全に消えてしまうはずなんだ、まるで原子核に落ち込んだ電子みたいにね。もし、私たちが量子力学を無視したら、これはアインシュタインの式が予言するビッグバンになるはずなんだ。
でも、もし私たちが量子力学を考慮に入れたら、宇宙は無限に圧縮されることはなくて、量子反発力がそれを跳ね返すんだ。収縮する宇宙は一点に崩壊することはなくて、それはまるで爆発でできたみたいに、反発して膨張し始めるんだ（図8.3）。
私たちの宇宙の過去は、まさにその反発の結果だったのかもしれないんだよね。この巨大な反発は、「ビッグバン」じゃなくて「ビッグバウンス」って呼ばれてるんだ。ループ量子重力の方程式を宇宙の膨張に適用した時に得られるのは、これみたいなんだ。
跳ね返りの図を文字通りに受け取っちゃいけないんだよね。電子の例に戻ってみよう。もし、電子を原子にできるだけ近づけたいなら、電子はもう粒子じゃなくなるってことを思い出してね。私たちは、それが確率の雲の中に散らばってるって想像できるんだ。決まった位置は、電子にとって意味をなさなくなるんだ。宇宙も同じなんだ。ビッグバウンスの重要な段階では、私たちはそれを分離してるけど単一の空間と時間としては想像できなくて、空間と時間が激しく変動する確率の雲としてしか想像できないんだ。ビッグバウンスでは、世界は確率の雲に溶けて、それらは方程式でまだ記述できるんだ。
だから、私たちの宇宙は、圧縮後の跳ね返りから生まれて、空間と時間が確率に溶けてしまう量子段階を経験した可能性が高いんだ。
「宇宙」って言葉は曖昧になってるんだよね。もし、私たちが「宇宙」を「存在するすべてのもの」って意味で使うなら、定義上、2つ目の宇宙はありえないよね。でも、「宇宙」って言葉は宇宙論では別の意味を持ってて、それは私たちが周りで見ることのできる、観測した銀河で満たされた時空連続体を指すんだ。この意味では、この宇宙が唯一の宇宙だってことを確定する理由はないよね。私たちは、時空連続体が海の泡みたいにバラバラになって、ウィーラーが提唱した図みたいに、量子確率の雲になるまで、過去を再構築することができるんだ。この熱い泡の外に、私たちが感じてる周りの宇宙と似た、別の時空連続体があるって可能性を捨てる理由もないんだ。
収縮から膨張に移行して、ビッグバウンスの段階を通過する宇宙の確率は、前の章で説明した時空箱の方法で計算できるんだ。収縮する宇宙と膨張する宇宙をつなぐスピンフォームを使って、計算を完了することができるんだ。
これらはすべてまだ探索段階にあるんだけど、この話で注目すべきなのは、今ではこれらの出来事を記述しようとする方程式を持ってるってことなんだ。今のところ理論に限られてるんだけど、私たちはすでに慎重にビッグバンを超えた場所に目を向け始めてるんだ。
科学が有効なのは、仮説と推論の後で、直感と洞察の後で、方程式と計算の後で、うまくできたかどうか検証できるからなんだよね。理論は私たちがまだ観測してないことについて予測をして、私たちはその予測が正しいかどうか検証できるんだ。これが科学の力なんだよね。その信頼性は強固な基盤の上に成り立ってて、私たちが十分に信頼できるものにしてくれるんだ。なぜなら、私たちは理論が正しいか間違ってるか検証できるから。これが科学と思考の他の方法との違いなんだよね。他の方法では、誰が正しくて誰が間違ってるか判断するのが難しかったり、時には意味さえなかったりするから。
ルメートルが宇宙が膨張してるって考えを擁護した時、アインシュタインはその考えを信じてなかったんだ。彼ら2人のうち、どちらか1人は間違ってて、もう1人は正しかったはずなんだ。アインシュタインのすべての成果、彼の名声、科学界での影響力、巨大な権威は、何の役にも立たなかったんだ。観測データが彼が間違ってることを証明して、それでゲームオーバー。無名のベルギー人の神父が正しかったんだ。だからこそ、科学的思考は力を持ってるんだ。
科学社会学は、科学認識のプロセスの複雑さを明らかにしてるよね。他の人間の努力と同じように、このプロセスも非合理性に悩まされたり、権力ゲームに巻き込まれたり、あらゆる種類の社会文化的要因に影響されたりするんだ。それでも、これらは科学的思考の実践と理論的効力を弱めることはないんだよね。これは一部のポストモダニストや文化相対主義者の誇張とは正反対なんだ。なぜなら、結局のところ、ほとんどの場合、誰が正しくて誰が間違ってるか明確に判断できるからなんだ。偉大なアインシュタインでさえ（実際に言ったんだけど）、「ああ、私は間違ってた！」って言うんだから。もし私たちが信頼性を重視するなら、科学は最高の戦略なんだ。
これは、科学が観測可能な予測をする技術にすぎないって意味じゃないんだよね。一部の科学哲学者たちは、科学を数値的な予測に限定してるけど、それは科学を狭めすぎてるんだ。彼らは要点をつかんでなくて、手段と目的を混同してるんだ。検証可能な定量的な予測は、仮説を検証するための手段だけど、科学研究の目標は、予測をすることだけじゃなくて、世界がどのように動いているのかを理解して、世界の全体像を構築して発展させて、私たちが考えるための概念構造を提供することなんだ。技術的なレベルに入る前に、科学にはビジョンがあるんだ。
検証可能な予測は、私たちが何かを誤解してる時に、問題に気づかせてくれる強力なツールなんだ。実験的な証拠がない理論は、まだ検証されてない理論なんだよね。検証が終わることはなくて、1つの理論が1つ、2つ、3つの実験で完全に証明されることはないんだけど、その予言が真実だと証明されるにつれて、理論の信頼性は徐々に増していくんだ。一般相対性理論や量子力学のような理論は、最初多くの人を混乱させたんだけど、そのすべての予言（たとえ一番信じられないようなものでも）が実験や観測によって徐々に裏付けられるにつれて、人々の信頼を得ていったんだ。
一方で、実験的証拠の重要性は、実験データがないと進歩できないって意味じゃないんだよね。新しい実験データがないと、科学は進歩しないってよく言われるけど、もしそうなら、新しいものを観測するまで、量子重力を発見する希望はほとんどないことになるけど、明らかにそうじゃないんだよね。コペルニクスにとって、どんな新しいデータが利用可能だったんだろう？何もなかったんだ。彼のデータはプトレマイオスと同じだったんだよね。ニュートンは何か新しいデータを持ってたんだろうか？ほとんどなかったんだ。彼の本当の資料は、ケプラーの法則とガリレオの成果だったんだよね。アインシュタインは、一般相対性理論を発見するために何か新しいデータを持ってたんだろうか？持ってなかったんだよね。彼の資料は、特殊相対性理論とニュートンの理論だったんだ。新しいデータが現れないと物理学は進歩しないっていうのは、明らかに間違ってるんだ。
コペルニクス、ニュートン、アインシュタイン、その他多くの科学者たちが行った仕事は、以前から存在してた自然の多くの分野の経験的知識をまとめた理論に基づいて、それらを統合して考え直す方法を発見して、普遍的な概念を改善することだったんだ。
これが、量子重力の最高な研究活動の基盤なんだ。科学では、知識の源泉は最終的には実験なんだ。でも、量子重力の構築の基盤となるデータは、新しい実験から得られたものではなくて、すでに私たちの世界の全体像を構成している理論の大建造物から来てるんだよね。ただし、部分的に矛盾しない形式でね。量子重力の「実験データ」は、一般相対性理論と量子力学なんだ。これらを基盤にして、私たちは量子と曲がった空間が共存する世界がどのように矛盾しないのかを理解しようとして、未知のものを探求しようとしてるんだ。
私たちより前に同じような状況に置かれていた巨人たち、例えばニュートン、アインシュタイン、ディラックが、素晴らしい成功を収めたことが、私たちを大いに励ましてくれるんだ。彼らのレベルに達することをあえて想像はしないけど、私たちの強みは彼らの肩に乗ってることなんだよね。これによって、彼らよりも遠くを見ることができるんだ。いずれにしても、私たちは努力しなければならないんだ。
手がかりと有力な証拠を区別する必要があるんだよね。手がかりはシャーロック・ホームズが神秘的な事件を解決することを可能にするけど、裁判官は犯罪者を裁くために有力な証拠を必要とするんだ。手がかりは、私たちを正しい理論に向かう道へと導いてくれるけど、有力な証拠は、私たちが構築した理論が良いか悪いかを信じさせてくれるんだ。手がかりがなかったら、私たちは間違った方向を探してるし、証拠がなかったら、理論は信頼できないんだ。
量子重力についても同じことが言えるんだよね。この理論はまだ始まったばかりで、その理論的構成要素は強固になりつつあり、基本的な考え方は明らかにされつつあるんだ。手がかりは良くて、具体的だけど、まだ検証された予測が欠けてて、この理論はまだテストに合格してないんだ。
本書で述べられている研究の方向性で、もう1つ研究されてる理論は、弦理論なんだよね。弦理論やそれに関連する理論を研究してきたほとんどの物理学者たちは、ジュネーブの欧州原子核研究機構（CERN）の新しい粒子加速器（LHC、大型ハドロン衝突型加速器）が稼働し始めたら、これまで観測されたことのない、理論的に予測されてる粒子、超対称性粒子がすぐに現れることを期待してたんだ。弦理論は、理論を矛盾させないためにこれらの粒子を必要とするから、弦理論家たちは粒子の発見を切望してたんだ。一方で、ループ量子重力理論は、超対称性粒子がなくても、定義は完璧なんだよね。ループ理論家たちは、これらの粒子はおそらく存在しないって考えてる傾向があるんだ。
超対称性粒子が観測されなかったことは、多くの人を失望させたんだよね。2013年にヒッグスボソンが発見されたことを祝った人たちも、同じ失望を隠してたんだ。超対称性粒子が、多くの弦理論家が予想してたエネルギーで現れなかったことは、何かを正確に証明してるわけじゃないんだ。遠く及ばないね。でも、自然はループ理論に有利な小さな手がかりを与えてくれたんだ。
近年、基礎物理学には3つの重要な実験結果があったんだ。1つ目は、ジュネーブの欧州原子核研究機構がヒッグスボソンを発見したこと（図9.1）。2つ目は、プランク衛星（図9.2）が行った観測で、測定データは2013年に公表されて、標準宇宙モデルを裏付けたんだ。3つ目は、2016年の最初の数ヶ月に発表された、重力波の最初の検出なんだ。これらは、自然が最近私たちにくれた3つのシグナルなんだ。
これらの3つの結果には共通点があるんだよね。まったくサプライズがないってことなんだ。これはそれらの重要性を減じることはなくて、むしろ正反対で、それらをより意味のあるものにしてるんだ。ヒッグスボソンの発見は、量子力学に基づいた基本粒子の標準モデルの正しさを力強く証明してて、これは30年前に出された予測の検証なんだ。一般相対性理論と宇宙定数に基づいた標準宇宙モデルにとって、プランク衛星の観測結果は、確固たる証拠なんだ。100年前に生まれた一般相対性理論にとって、重力波の検出は驚くべき証拠なんだ。これらの技術的な苦労と数百人の科学者の広範な協力によって得られた成果は、私たちがすでに持ってる宇宙構造の理解を強化したにすぎないんだ。本当のサプライズはなかったんだ。
でも、このサプライズの欠如はある意味でサプライズなんだよね。なぜなら、多くの人が驚くことを期待してたからなんだ。つまり、確立された理論では記述されてない「新しい物理学」を発見することをね。彼らは欧州原子核研究機構で、ヒッグスボソンじゃなくて、超対称性粒子を期待してたんだ。多くの人が、プランク衛星が標準宇宙モデルからの偏差を観測することを期待してて、その偏差が一般相対性理論以外の他の宇宙理論を支持することを願ってたんだ。
でも、そうじゃなかった。自然がくれた肯定はシンプルなんだ。一般相対性理論、量子力学、そして量子力学内部の標準モデル、これらはすべて正しいんだ、と。
今、多くの理論物理学者たちは、安易な仮定をすることで、新しい理論を探してるんだよね。「想像してみよう…」ってね。私は、このような科学の研究方法は良い結果を生み出さないって考えてるんだ。私たちが制御できる範囲内の痕跡からインスピレーションを探さない限り、私たちの幻想は、世界がどうあるべきかの「想像」に限定されすぎてしまうんだ。私たちが持ってる痕跡、つまり私たちの手がかりは、成功した理論か、新しい実験データのどちらかしかないんだ。私たちはこれらのデータとこれらの理論の中から、私たちがまだ想像できないことを見つけ出すべきなんだ。これが、コペルニクス、ニュートン、マクスウェル、アインシュタインが進んだ方法なんだよね。彼らは決して新しい理論を「推測」することはなかったんだ。今日、あまりにも多くの理論物理学者たちがやろうとしてるようにね。
私が今まで言及した3つの実験結果は、すでに自然が発した声なんだよね。「新しい場や奇妙な粒子を想像するのはやめてください。付加次元、他の対称性、平行宇宙、弦、あるいは他の何か。パズルはすごくシンプルで、一般相対性理論、量子力学、標準モデルなんです。次のステップはおそらく、それらを正しい方法で統合するだけの問題なんです」これは量子重力共同体にとって、心強いアドバイスなんだよね。なぜなら、これはまさに理論の仮定だから。一般相対性理論、量子力学、そしてそれと両立する標準モデル、それだけだってね。根本的な概念上の推論、つまり空間の量子化、時間の消滅は、大胆な仮説じゃなくて、私たちの最も優れた理論の基本的な洞察を真剣に受け止めた結果得られた合理的な推論なんだ。
これらもおそらく、まだ正確な証拠じゃないんだよね。超対称性粒子は最終的に現れるかもしれないし、私たちがまだ到達してないスケールで現れるかもしれないし、たとえループ量子重力が正しかったとしても、現れるかもしれないんだ。超対称性粒子が予想された場所に現れなかったから、弦理論家たちはちょっとがっかりして、ループ理論家たちはちょっと興奮したけど、これらはまだ手がかりの問題にすぎなくて、まだ有力な証拠はまったくないんだ。
もっと確かな証拠を見つけるためには、私たちは別の場所に目を向けなければならないんだ。原始宇宙は、理論の正しさを証明できる予測を行うための窓を開いてくれるんだ。私はそれがそう遠くない将来に実現することを願ってるんだ。あるいは、彼らが理論が間違ってることを証明するかもしれないね。
もし、私たちが量子段階での宇宙の進化を記述する方程式を持ってるなら、量子現象が今日観測されてる宇宙に与える影響を計算できるんだ。宇宙は宇宙放射線で満たされてるんだよね。初期の熱い段階から残された大量の光子、そして初期の高温の残光。
銀河間の巨大な空間の電磁場は、嵐の後の海面みたいに振動してるんだ。この宇宙に遍在する振動は、宇宙背景放射と呼ばれてて、過去数年間で、宇宙背景探査機（COBE）、ウィルキンソン・マイクロ波異方性探査機（WMAP）、そして最近ではプランク衛星などの探査機によって研究されてきたんだ。この放射線の微小な変動の画像が図9.3に示されてるんだ。この放射線の構造の詳細は、私たちに宇宙の歴史、宇宙の量子の起源の手がかりを教えてくれる可能性があるんだ。
量子重力研究の最も活発な分野の1つは、原始宇宙の量子力学がこれらのデータにどのように反映されてるのかを研究することに力を注いでるんだ。まだ初期段階だけど、それでも励みになるよね。もっと計算ともっと正確な測定をすることで、理論の検証が実現するはずなんだ。
2013年に、アベイ・アシュテカール、イヴァン・アグーロ、ウィリアム・ネルソンは論文を発表して、特定の仮定の下で、これらの宇宙放射線のゆらぎの統計的分布が、最初の反発の影響を明らかにするはずだって計算したんだ。広範囲のゆらぎは、量子を考慮してない理論が出した予測とは異なるはずなんだ、と。現在の測定状態が図9.4に描かれてて、黒い線はアシュテカール、アグーロ、ネルソンの予測を示してて、灰色の点は測定データを示してるんだ。現在のところ、これらのデータは、3人の著者が予測した黒い線が上に曲がってる部分が正しいかどうか判断するには不十分なんだけど、測定はますます正確になってて、状況は変化し続けてるんだ。でも、私みたいに量子空間の謎を理解しようと生涯をかけてきた人たちは、私たちが観察、測定、計算する能力の絶え間ない進歩を、希望と不安を抱きながら注意深く見守り続けてるんだ。自然が私たちに正しいか間違ってるか教えてくれる瞬間を期待しながらね。
大量の原始的な熱の痕跡は、重力場にも残されてるはずなんだよね。重力場、つまり空間自体が、海面みたいに振動してるはずなんだ。だから、宇宙重力背景放射も確かに存在するはずなんだよね。宇宙マイクロ波背景放射よりもさらに古くから。なぜなら、電磁場と比べて、重力波は物質の影響を受けにくいから。宇宙があまりにも高密度で電磁波が通過できなかった時でさえ、重力波は影響を受けずに通過できたんだ。
現在、私たちはレーザー干渉計重力波天文台（LIGO）検出器を使って、重力波を直接観測してるんだよね。検出器は数キロメートルの長さの2つのアームで構成されてて、お互いに適切な角度で配置されてて、レーザー光線が3つの固定点間の距離を測定できるんだ。重力波が通過すると、空間はわずかに伸縮して、レーザーがこの非常に小さな変化を示すんだ。[49]
重力波は、ブラックホールの衝突という天体物理学的イベントによって生成されるんだけど、これらの現象は一般相対性理論で記述されてて、量子重力は関係してないんだ。でも、LISAと呼ばれる、もっと野心的な実験が評価段階にあって、もっと大規模に同じことを行うことができるんだ。軌道に3つの衛星を配置して、地球の周りじゃなくて太陽の周りを回らせるんだ。それらは、軌道上で地球を追跡する小惑星みたいになるんだよね。3つの衛星はレーザー光線で接続されてて、それらの間の距離を測定したり、もっと良いのは、重力波が通過した時の距離の変化を測定したりするんだ。もしLISAが起動できれば、星やブラックホールによって生成された重力波だけでなく、ビッグバンに近い時に生成された原始重力波の背景放射も観測できるはずなんだ。これらの波は、私たちに量子の跳ね返りに関する情報を教えてくれるはずなんだ。
空間の微妙な不規則な現れの中で、私たちは140億年前に宇宙が始まった時に起こった出来事の痕跡を発見して、空間と時間の本質に関する私たちの推論を確認できるはずなんだ。
私たちの宇宙にはたくさんのブラックホールがあるんだよね。ブラックホールの領域では、空間が極度に湾曲して、最終的には内側に崩壊して、時間が止まるんだ。前に話したように、星が利用できるすべての水素を使い果たしてしまうと、崩壊してブラックホールになるんだ。
崩壊した星は、隣の星と対になってることが多くて、この場合、ブラックホールと残された「パートナー」は互いに周回するんだよね。ブラックホールは、もう1つの星から物質を吸い上げ続けるんだ（図10.1参照）。
天文学者たちは、私たちの太陽と同じくらいの大きさ（実際には少し大きいんだけど、ここでの大きさは質量を指すんだ）のブラックホールをたくさん発見してるんだ。でも、巨大なブラックホールもあるんだよね。ほとんどすべての銀河の中心には巨大なブラックホールがあって、私たちの銀河も例外じゃないんだ。
私たちの銀河の中心にあるブラックホールは、現在詳細に研究されてて、その質量は私たちの太陽の100万倍も大きいんだ。時々、星がこの巨大なブラックホールに近づきすぎると、重力でねじ曲げられて粉砕されて、巨大なブラックホールに飲み込まれてしまうんだ、まるで小さな魚がクジラに飲み込まれるみたいに。100個の太陽と同じくらいの大きさの巨大なブラックホールが、私たちの太陽と太陽の小さな惑星を一瞬で飲み込んでしまうのを想像してみてよ…。
世界中に電波アンテナのネットワークを構築する素晴らしい計画が進行中で、これによって天文学者たちは、十分に大きな解像度で巨大なブラックホールを「見る」ことができるようになるんだ。私たちが見ることを予想してるのは、小さな黒い円盤で、その中に落ち込んだ物質の放射によって生成された光に囲まれてるものなんだ。
ブラックホールに入ったものはもう出てくることはできないんだよね。少なくとも、私たちが量子理論を無視すればね。ブラックホールの表面は、まるで現在みたいに、ある方向からしか通過できなくて、未来から戻ることはできないんだ。ブラックホールにとって、過去は外に、未来は中にあるんだ。外から見ると、ブラックホールは球体みたいで、入ることはできるけど、中から出てくることは何もできないんだ。ロケットは、この球体から一定の距離を保った場所に留まることができるんだよね。この距離はブラックホールの「事象の地平面」って呼ばれてるんだ。これをするためには、ロケットのエンジンを絶え間なく激しく燃焼させて、ブラックホールの万有引力に対抗する必要があるんだ。ブラックホールの巨大な引力は、ロケットにとって時間が遅くなることを意味してるんだ。もしロケットが事象の地平面に近い場所に1時間留まって、それから飛び去ったら、外ではその間に数世紀が経過してしまってることに気づくはずなんだ。ロケットが事象の地平面に近づけば近づくほど、外に比べて時間の流れが遅くなるんだ。だから、過去への旅行は難しいけど、未来への旅行は簡単なんだよね。宇宙船でブラックホールの近くに行って、しばらく滞在して、それから飛び去ればいいんだから。
事象の地平面では、時間が止まるんだ。もし私たちがものすごく近くに行って、私たちの時間で数分後に飛び去ったら、宇宙の他の部分では100万年が経過してるかもしれないんだ。
本当に驚くべきなのは、現在普通に観測できるこれらの奇妙な物体の属性が、ずっと前にアインシュタインの理論によって予見されてたってことなんだ。現在、天文学者たちは宇宙にあるこれらの物体を研究してるけど、つい最近まで、ブラックホールは奇妙な理論の奇妙な結果だと考えられてたんだ。私が大学の教授がそれらをアインシュタインの方程式の解として紹介した時、「それらに対応する現実の物体はおそらくないだろう」って言ってたのを覚えてるよ。これが理論物理学者たちの驚くべき能力なんだ。彼らは、物体が観測される前にそれらを発見することができるんだから。
私たちが観測したブラックホールは、アインシュタインの方程式でうまく記述できるんだよね。それらを理解するために量子力学は必要ないんだ。でも、ブラックホールの謎が2つあって、それらは確かに量子力学で解決する必要があって、ループ理論はその両方に可能な答えを提供してて、そのうちの1つは理論を検証する機会を提供してるんだ。
量子重力のブラックホールへの最初の応用は、スティーブン・ホーキングが発見した奇妙な事実に関連してるんだ。1970年代の初め、彼はブラックホールは「熱い」って理論的に導き出したんだ。それらは熱い物体みたいに振る舞って、熱を放出するんだ。それによって、それらはエネルギーと質量（なぜならエネルギーと質量は同じものだから）を失って、どんどん小さくなるんだ。「蒸発」するんだ。この「ブラックホールの蒸発」は、ホーキングが行った最も重要な発見なんだ。
物体が熱を持ってるのは、それらの微視的な構成要素が運動してるからなんだよね。例えば、熱い鉄の塊の原子は、平衡位置の周りで速く振動してるんだ。熱い空気中の分子の運動は、冷たい空気中よりも速いんだ。
ブラックホールを熱くしてる、絶え間なく振動してる基本的な「原子」は何なんだろう？ホーキングはこの質問に答えなかったけど、ループ理論は可能な答えの1つを提供してるんだ。ブラックホールに温度を与える、振動してる基本的な原子は、その表面の個々の空間量子なんだ。
それによって、ループ理論を使うと、ホーキングが予言したブラックホールの奇妙な熱を理解できるんだよね。熱は、個々の空間原子の微小な振動の結果なんだ。それらは振動するんだ。なぜなら量子力学の世界では、すべてが振動してて、何も静止したままではないから。量子力学の核心は、物体が常に完全に静止した位置に留まることは不可能だってことなんだ。ブラックホールの熱は、ループ量子重力における空間原子の振動に直接関係してるんだ。ブラックホールの事象の地平面の正確な位置は、これらの重力場の微小な振動によってのみ決定されるんだ。だからある意味では、事象の地平面は熱い物体みたいに振動するんだ。
ブラックホールの熱の源を理解するもう1つの方法があるんだ。量子のゆらぎは、ブラックホールの内部と外部の間に相関関係を生み出すんだ（私は第12章で相関関係と温度について詳しく説明するよ）。ブラックホールの事象の地平面を貫通する量子の不確実性は、事象の地平面の幾何学的ゆらぎを生み出して、ゆらぎは確率を意味して、確率は熱力学、つまり温度を意味するんだ。ブラックホールは、宇宙の一部分を私たちから隠してるけど、その量子のゆらぎは熱の形で検出されるんだ。
若いイタリア人の科学者、エウジェニオ・ビアンキ