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特別展

「時空のデザイン」の企画

田賀井篤平


図 : アインシュタイン像
 今回の特別展示「時空のデザイン」展は、当初の仮題が「アインシュタイン」展であった。スイス・ベルンの特許庁の一役人であったアインシュタインは、1905年にAnnalen der Physikに論文を次々と発表し、これまでの物理学に革命をもたらした。そして、1905年は「奇跡の年」と称されるようになった。「奇跡の年」から100年後である2005年は、世界物理年として世界中でアインシュタインに因んだ展示やシンポジウムが開催された。ドイツにおいても2005年夏にベルリンで「宇宙のエンジニア・アインシュタイン」と銘打った展示がマックスプランク研究所を中心に開催された。また2005・2006年が日本におけるドイツ年であることから、日本でも「アインシュタイン」展の開催が計画され、ドイツ大使館から東京大学総合研究博物館に共催の申し込みがあり、博物館内部で議論が行われた結果、「アインシュタイン」を東京大学総合研究博物館に相応しい切り口で公開することとした。今まで企画された他のアインシュタイン展がアインシュタインの波乱の一生、音楽愛好家、平和主義者などの視点に立っていることから、総合研究博物館での展示は「アインシュタインの物理学」を正面から取り上げていくこととした。本館には物理学を専攻した研究者がいない。そこで理学系研究科の佐藤勝彦先生に助けを求めたわけである。佐藤先生は快く協力を約束してくださり、さらに同じく佐野雅己先生も協力してくださることになり、実行委員会が立ち上がった。

 実行委員会での議論の結果、今回の展示はアインシュタインの物理学そのものを前面に打ち出すというよりも、東京大学を中心とした最先端科学を紹介する。アインシュタインの提示した理論がニュートンを頂点とする古典物理学から現代物理学へのターニングポイントになり、多くの先端科学技術の源流がアインシュタイン物理学にあることを示す。数多くのアインシュタインの理論の中から1905年の論文を代表する「相対性理論」・「光量子仮説」・「ブラウン運動」を取り上げることとなった。

 議論の中で佐藤先生が述べられた「物理学の究極の目的は、我々人類を取り巻いている全ての現象がどのように構築され、どのような物理法則が支配しているかを明らかにすることである。近代物理学は相対性理論と量子論を2本の縦糸とすれば、非平衡統計力学によるカオスや揺らぎが横糸となって織りなされている」を展示のコンセプトに据えた。このコンセプトの中に、アインシュタインの「相対性理論」・「光量子仮説」・「ブラウン運動」から導き出された、ビッグバン・重力波・GPS・ニュートリノ・フラクタルなどをはじめとする先端研究を展示することにした。この原稿を書いている段階では、展示物の全てが固まっているわけではないが、光量子仮説は量子論の、そしてブラウン運動は非平衡統計力学の出発点となったことを考えると、「近代物理学は相対性理論と量子論を2本の縦糸とすれば、非平衡統計力学によるカオスや揺らぎが横糸となって織りなされている」というコンセプトは大学博物館に相応しく、そこから実現する展示は「実験展示」の名に十分に値するものになるであろう。

 展示の準備を通じて、普段では席を同じくする機会すらない、佐藤勝彦・佐野雅己という物理学の最前線で活躍されている両先生を独占して、整然とした理論体系で構築されている物理学の美しさ・奥深さばかりでなく、物理学者自身を体験することが出来たのは幸せの極であり、博物館で異分野の展示を企画・実行したものだけが味わえる醍醐味である。この展示が実現できたのは、誠に佐藤勝彦・佐野雅己両教授・樽家篤史博士の協力の賜であり、心から感謝を捧げたい。また、展示実現に協力頂いた国立天文台、高エネルギー加速器機構、田中舘愛橘記念科学館、兜l松フォトニクスなどの方々に謝意を表したい。

 

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(本館特任研究員/鉱物学)

特別展

宇宙の創生とウロボロスの図

佐藤 勝彦


 我々の住むこの世界には始まりがあったのだろうか?それとも永遠不変なのだろうか?もし始まりがあるとすればその前はどうなっていたのだろうか?始まりがあるなら終わりもあるのだろうか?それとも無限の未来までこの世界は存在するのだろうか?キリスト教の「創世記」はじめ世界の各地の神話にみられるように、これらの疑問は人類の歴史が始まった頃から問い続けられてきた疑問である。我々も、喧噪な日常の生活を離れたとき、ふとこのような問いかけが頭をよぎる。この疑問は西欧では神学として、また哲学の課題として論じられてきた。キリスト教では「創世記」に記されているように、この世界は神によって創造されたものである。それでは神は世界を創造する前は何をされていたのだろうか? 「神はそのような詮索好きな人を落とすために地獄を作っていたのだ。」というのは俗話であるが、カンタベリー大司教、聖アウグスチヌスは「神は天地を創造する前にはまったく何もしなかった。」と語っている。宇宙の始まりは今日では物理学・天文学に基づいた科学、「宇宙論」で研究されている課題である。一般相対論に基づいた標準的な宇宙論では、宇宙の開闢と同時に時は刻み始めたものであり、その前は何もなかったとされている。聖アウグスチヌスの語ったことは、現代の科学的「創世記」、ビッグバン宇宙論とも一致する考えと言ってよいであろう。

図1 インフレーション理論。宇宙の初期に急激な加速度膨張と激しい加熱により火の玉宇宙が誕生した。またインフレーション中の「揺らぎ」が成長し銀河や銀河団など宇宙の階層構造が生まれた。
図2 宇宙という物質のマクロの極限の創生は、逆にミクロの極限の素粒子の世界の法則により支配されているのだと言うことを示すウロボロスの図。グラショウより

 宇宙の始まりを含め宇宙全体の構造や進化を科学的に論ずることが可能となったのは、20世紀のはじめにアインシュタインによって相対性理論(以下簡単に相対論)が作られてからである。相対論は一言で言えば時間と空間の物理学である。物質・エネルギーの存在によって時間はあるところでは早く、あるところでは遅く進み、また空間も曲がってしまい、小学校や中・高等学校で学んだユークリッド幾何学は厳密には成り立たなくなる。アインシュタイン以前においては、ニュートンの著書「プリンキピア」に明確に規定されているように、「時間とはその本質において外界と何ら関係することなく一様に流れ持続と呼ぶことのできるもの」と規定されていた。つまり、物質の存在とは無関係に無限の過去から無限の未来へと流れるものなのである。アインシュタインが示したことは、私たちの住む時間と空間をあわせたもの、「時空」はトランポリンのように、物の重みで曲がってしまう「ゴム板」のようなものだと言うことである。宇宙とは「あらゆる物的存在とそれを含む時空」である。つまりこのゴム板のように曲がってしまう時空とそれを曲げる原因となる物質エネルギーを合わせたものである。いわば時空という縦糸と物質という横糸が絡み合い織りなして作られる美しい織物のような存在、それが宇宙である。縦糸である相対論の成立によって宇宙論の研究がスタートしたが、宇宙の構造・進化を解明するには横糸である物質の法則を知らなければならない。20世紀は、しばしば言われるように物理学の世紀であった。爆発的な物理学の進歩により、物質世界の法則や物質世界の多様性が解明され、物理学を土台として化学、生物学などの科学、工学が飛躍的に発展し人類社会のあり方まで大きく変えてきたのである。

 物理学は確かに大きく進んだが、そのもっとも根元的な法則はいまだ解明されていない。意外に思われるかも知れないが物質の階層構造のミクロの極限である素粒子の世界の物理が進んで始めて宇宙の創生も研究することができるのである。宇宙の初期は火の玉でありすべての物質は素粒子まで分解されている。また宇宙そのものも「小さく」、ミクロの物理法則、量子論に従う。20余年前、未完ではあるがミクロの世界の法則を相対論と組み合わせて解くことにより、初期の宇宙は加速度的急激な膨張を起こし、それが普通の膨張になるとき一挙に火の玉宇宙になることを見いだした。今日、インフレーション理論と呼ばれ宇宙初期のモデルとして定着している。このように物質のマクロ極限である宇宙の開闢を支配しているのは、逆に物質のミクロの極限の法則なのである。グラショウはこれをウロボロスの図を使ってこれを表現したのである。

 インフレーション理論の特異なおもしろさは、「子供の宇宙、孫宇宙・・・」と宇宙が「母宇宙」から生まれてくることである。また、インフレーション宇宙論の提唱後、「無からの宇宙創生」の理論も提唱された。このような無数の宇宙という概念は英語ではmultiverseと呼ばれる。私はこれを「無量宇宙」と訳している。

 「神は我らの宇宙を創造する前に何をされていたのか?」、聖アウグスチヌスは「何もされてなかったのだ。」と答えたというが、もし私に聞かれれば、「神はずっと宇宙を作り続けていたのだ。」と答えるであろう。

   

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(理学系研究科/宇宙物理学)
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Ouroboros 第29号
東京大学総合研究博物館ニュース
発行日:平成18年7月20日
編集人:高槻成紀・佐々木猛智/発行人:林 良博/発行所:東京大学総合研究博物館