大栗先生の超弦理論入門

大栗博司

【第30回講談社科学出版賞受賞作】ベストセラー『重力とは何か』の著者があなたの世界観を根底から覆します！ 私たちは「どこ」に存在しているのか？ 物質の基本は「点」ではなく「ひも」とする超弦理論によって、ニュートンの力学、アインシュタインの相対性理論に続く時空概念の「第三の革命」が始まった。現代物理学における究極のテーマ「重力理論と量子力学の統合」にはなぜ「ひも」が必要なのか？ 「空間が九次元」とはどういうことか？ 類のない平易な説明の先に待ち受ける「空間は幻想」という衝撃の結論！ （ブルーバックス2013年8月刊）

• カテゴリ: ビジネス・実用
• ジャンル: 学術・語学 / 理工
• 出版社: 講談社
• 掲載誌・レーベル: ブルーバックス
• ページ数: 288ページ
• 電子版発売日: 2013年12月20日
• コンテンツ形式: EPUB
• サイズ(目安): 6MB

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「大栗先生の超弦理論入門」大栗博司



分子はランダムに運動しているのでエネルギーの値も常に揺らいでいるが、膨大な数の分子が集まると、エネルギーの平均として近似的に一定の値をとり、それを我々は温度と捉えている。

氷と水の区別のように、「温度」という概念は二次的なもの。温度とは分子の平均エネルギーの現れにすぎない。分子のレベルで温度という概念は消滅する。
つまり、温度とはマクロな世界に住む我々が感じる幻想。空間もより根源的なものから現れる幻想であるというのが超弦理論。


我々の身の回りにある全ての物質は素粒子の標準模型に含まれる17種類の点粒子（素粒子）の組み合わせでできているとされているが、宇宙には正体がわからない暗黒物質と呼ばれる物質が標準模型に含まれる物質の5倍以上ある。17種類の素粒子のどれでもない未知の素粒子からできているわけなので、この先もっと新たな素粒子が見つかるだろう。


2011年、宇宙の膨張は加速している事が判り、物質の他にダークエネルギーの存在が暗示された。


自然界には重力、弱い力、電磁気力、強い力の4種類の力がある。重力は他の3つに比べてとても弱いので現在の素粒子実験での影響はほぼない。


強い力はクオークを互いに引きつけ合って陽子や中性子を作る力で、電磁気力よりも強い。


弱い力は原子核からの放射線の原因となる力で、電磁気力より弱い。


強い力だけは粒子同士が近づくと力が小さくなる。


磁石のように、離れても伝わる力のことを遠隔力と言い、「場」という概念はこの遠隔力を説明する為に考えられた。物体と物体の間には場という実体があり、それが力を伝えている。


磁気の力を伝えるのは磁場で、電気の力を伝えるのが電場。


物理学の定義では「場」とは空間の各点で値（力の大きさや方向）が決まっているもののこと。


19世紀の半ばにマクスウェルは電気と磁気をまとめた電磁場を説明する方程式を発見した。


電磁場が伝わる速さは光速。つまり光の正体とは電磁波の事。


電磁場において働く力の強さは距離の2乗に反比例する。（クーロンの法則）


光とは電磁波という波でもあるし、光子という粒の集まりでもある。これを双対性と呼ぶ。


一つの光子が電子と陽電子のペアに変わったり、また元に戻る事がある。


粒子同士が高エネルギーで衝突するとそこに質量の重いものが生まれ、加速器のエネルギーをどんどん上げていくとどんどん重力が大きくなりブラックホールができる。ここでは重力が極限まで重い為、光さえ飲み込まれる。


脱出速度が光速になってしまう表面の事を事象の地平線と呼ぶ。


超弦理論とは、弾力のある弦が振動し、その振動の仕方によって様々な素粒子が現れると考えるもの。全ての素粒子が1つの弦から現れる。


弦にはタリアテッレのような開いた弦と、ドーナツのような閉じた弦がある。


開いた弦の振動には電磁気力を伝える光子が含まれている。


弦の振動は縦波は振動していない状態と区別がつかないので横波しかない。


電場や磁場には向きがあり、その電場や磁場の大きさが変化する事で起きるのが電磁波。


電子が光を放出して別の電子がその光子を吸収すると、二つの電子の間には電磁気のクーロン力が伝わる。


重力の理論を量子力学と組み合わせると重力波の粒である重力子が予言される。
重力は重力子のやり取りによって伝わると考えられる。


当初の弦理論は力を伝えるボゾンだけで、それに物質の元になるフェルミオンも加わったのが超弦理論。


同じ数同士を掛けると答えがゼロになる数をグラスマン数と呼び、これを座標に使う空間を超空間と言う。この超空間によってフェルミオンを加える説明がついたのが超弦理論。


フェルミオンは一つの状態には一つの粒子しか入れない。これは一回掛けると0となって終わってしまうグラスマン数の性質に由来している。
普通の数の他にグラスマン数も座標として使う超空間では、グラスマン数で示される方向に振動する弦からフェルミオンが現れる。
普通に座標の方向に振動するとボゾンになる。


見る方向を変えても同じように見える時は回転対称と言う。


超空間に超対称性があるとボゾンとフェルミオンの間にも必然的に入れ替え可能な対称性が現れる。


我々は三次元空間ではなく、実は超次元空間に住んでいる。グラスマン数という不思議な数を座標に使う余剰次元が存在する。


物理学の理論の多くは次元数を選ばないが、超弦理論は９次元空間しか許されない。


電場があると、電子は電位の高い方に引き付けられる。
磁場があると電子はクルクル回ろうとする。


未知の世界を探求する人々は地図を持たない旅人。


素粒子はスピン（自転）しており、時計回りの素粒子だけに弱い力が働いている。


朝起きた時に今日1日数学をやるぞと思っているようではとてもものにならない。数学を考えながらいつの間にか眠り、朝、目が覚めた時にはすでに数学の世界に入ってなければいけない。


10という次元は超対称性を持つ理論を考える事のできる最大の次元であり、それは超重力理論のみ。


10次元の超重力理論の中には1次元の弦ではなく、二次元の拡がりを持つ膜がある。


10次元の空間に時間を入れると11次元の時空間となる。


10次元空間の中では二次元の膜と五次元に広がったものが絡みつく事ができる。


開いた弦はブラックホールの分子。


ミクロな基礎理論までいくと、温度も空間もその中に働く重力も本質的なものではない。


数学で空間を定義する要点は、二つの点の間が近いか遠いかを区別する事。近いと関係が強く、遠いと弱い。空間とは関係性のネットワーク。空間の次元とはネットワークの拡がり方の事。


自然科学の基礎には因果律があるが、ある時刻の状態によって過去も未来も全て決まってしまうのなら、過去や未来は現在とは独立していない事になる。

[satoumc · ★★★★★]

名人による超弦理論の解説

超ひも理論（超弦理論）の最前線の研究者である大栗教授の入門書。素粒子の既存の標準理論の説明から説き起こして、超弦理論の到達点までを順序立てて説明してくれている。音は空気が無いところでは存在しないし、色彩も可視光線の波長未満の大きさでは存在しないように、超弦理論の帰結では3次元空間も幻想であり、時間もそうかもしれないというところまで連れて行ってくれる。この人は素人にごまかし無しで難しいことを説明する名人じゃないかと思う。研究者として優秀であることと解説者として優れていることはなかなか両立しないが、両立している貴重な例かと。
この本を読んだ後は素人の自分でも、ちょっと超弦理論について語れそうな気がして来る。

＃感動する ＃深い ＃タメになる

[ブクログ · ★★★★★]

理論物理学、素粒子論、宇宙論の最先端がわかりやすく説明されていてワクワクする。

特に疑問だったなぜ空間が９次元とか10次元とか言われているのかがようやく理解できた。

けど「時間」についてはまだ謎らしい。
不思議だ。

[ブクログ · ★★★★★]

「なぜ、点ではいけないのか。点とは部分を持たないものである。」で始まる、物質の最小単位・サイズ・形状をめぐる超弦理論が展開する挑戦の物語。夏休みから秋にかけてのお薦めの一冊。

[ブクログ · ★★★★☆]

日本においてヒモ理論といえば大栗さんですが、私自身まだまだ理解が追いついていません。
Newtonなどでは断片的に理解していましたが、本書ではなぜ次元を高次元にし、そして点ではなくヒモでなければ成立しないのか？がよく理解できます。
一方で、これを完全に理解するためのトポロジカルな見識が私には不足していて、ところどころ不明な部分もあります。
他の専門書と合わせてまた読み直したい1冊です。

[ブクログ · ★★★★☆]

物資の基本は、点ではなく、ひも、とする超弦理論（Super　String）の解説ですが難解です。空間は弦の運動から現れる、集合の一種です。重力は、空間や時間の伸び縮で伝わる、とか、時間も幻想かもしれない、という辺りは、理解が追いつきません。とはいえ、１３８億年前の宇宙の始まりが、理論的に解明されるようになった時代の統一理論を追いかけている大栗先生の良くわかる超弦理論の説明。あまり良くわかりませんが、★四つです。

[ブクログ · ★★★★☆]

語りがうまい

物理の歴史総まとめ
からの先端理論

■前書き
○時間と空間

アリストテレス　空間も時間も、物質やその運動に付随して定義されるものである

最初の革命
ニュートン力学「絶対空間」「絶対時間」

第二の革命
アインシュタイン
相対論
時間や空間は伸び縮みする

第三の革命
今起きようとしている
“空間とは私たちの「幻想」にすぎない”

[ブクログ · ★★★★☆]

極力数式を使わずに展開されるから、逆に難しかったかも。
とは言え、その時々の「最新の数学」を発明して対処する様な領域だから、数式載せちゃ誰も付いて来れんのかな。

工学系からすると、所与の数学で対処できるモノしか接してこなかったから「最新の数学」という概念がこれまでピンと来なかったけど、この本で初めてイメージが持てた。本筋からズレるがオイラーの公式は確かに滝に打たれる様な衝撃だったが、巻末の解説を見ると納得。
空間がホログラフィックなモノだという説明を理解しきったわけではないが、時間と空間の本質なモノがありそうだと言うことは、ままイメージが持てた

[ブクログ · ★★★★☆]

　文系が頑張って読んだ。ひも理論。超弦理論だ。
　いや、読み流した。
　というより、50%以降はフィーリングだ。。。
　すっごいわかりやすい、フェルミオンとボゾンのイラストでの説明。「…で？」と思ってしまうが、まあ、頑張って読み進むのだ。
　ハイライト、56人が引いているところ。
「超対称性とは、この回転対称性の概念を超空間にまで拡張したものです。超空間の座標は、普通の数とグラスマン数の両方からできています」
「…お、おう…。」
　もうほんと全部パスタで説明して欲しい…。徹頭徹尾パスタでいって欲しい。
　9次元、25次元、読んでるときは必死で考えているけど、こう、後でまとめるとかはできん。できんけども、こういう世界があることはうっすらわかった。
　わたしたちの三次元の+時間経過の四次元の一瞬のことについて書いてもある。ここは参考になる。
　そしてさらに突き詰めて、
　「わたしたちは習慣によって、
　　重力があったり、
　　次元があったり、　
　　空間があったりすると思うが、
　　現実に存在するのは…」
　この「････」に当てはめるべき言葉を知らないという。重力や次元や空間は幻想であることが確かである！！！！でも本当のこと、根源的な理解に達していない…。
　なんかどこかで聞いたことのあるような話。
　人間ってなにやっていても、こういうところに行き着くのだろうか。
　それにしても数式で様々なことを解き明かしていくというのはすごく不思議で痛快でもある。数式見てもまったくわからんけど。
　仏教的時間空間の話を理解するために読んだのだけど、まあ、このくらいで勘弁しておいてやるという心持ちである。
　でもわからんなりに読み通せたので、この大栗先生のお話は面白い。YouTubeも見た。そんな気なくて読んではまる人もいるかもしれない。という感じの本。

[ブクログ · ★★★★☆]

物理学者 大栗博司氏による超弦理論についての解説書。ブルーバックスから刊行されているため、専門外の人が読むことを前提に書かれています。ニュートンの力学に始まり、アインシュタインの相対性理論、弦理論から超弦理論へと発展する歴史を俯瞰しつつ、それぞれの持つ問題点や限界を明示し、その解決策を示しながら話を進めていくので、なんとなく分かった気になります。今後、この分野で、どのような発見があるのか楽しみになりました。凄く難解な事をこうやって、ある程度平易な言葉で表現するって、凄いことだと思いました。