この世界は10次元だったのか？【超ひも理論】の研究から真の宇宙の姿を解明する！

この宇宙にはまだまだ解明されていない謎があり、相対性理論や量子論だけでは説明できない現象も残っています。それらの謎を解く究極の理論として期待されているのが「超ひも理論」です。この世界の物質はひもでできていると考えることからさまざまな物理法則を説明する超ひも理論について解説します。

Contents

新たな世界観を提示する「超ひも理論」
この世界の物質はすべて「ひも」でできていた？
「統一理論」にもっとも近い理論として
超ひも理論とは？
「ひも」は社会の役に立つのか？
「超ひも理論」を学べる大学の学部、学科

新たな世界観を提示する「超ひも理論」

「この世界は何次元？」と聞かれたら、多くのかたは「3次元」と答えるのではないでしょうか。確かに空間は「縦、横、高さ（Y軸、X軸、Z軸）」という3次元。もう少し科学的に見ると、「時間」を加えた「4次元」になります。つまり、「4次元の時空間」に私たちは存在していることになるわけです。

その上には5次元や6次元の世界が考えられます。「もし5次元、6次元の世界の人間がいたら、私たちの世界はいったいどのように見えるのだろう？」というような疑問にとりつかれたことが、誰でも一度はあるのではないでしょうか？

ところが、突然、
「私たちの住むこの世界は3次元ではなく、実は10次元（9次元空間＋時間）だったのですよ」
と告げられたら、どうでしょう。荒唐無稽なSF、絵空事と思えるような話ですが、実際に素粒子を対象にした分野ではその研究が進められています。

それが「超ひも理論」と呼ばれている仮説です。これは「超弦（ちょうげん）理論」「スーパーストリング理論」と呼ばれることもあります。

＜宇宙を支配するたった一つの究極理論とは？量子論と一般相対性理論を統合する超弦理論【日本科学情報】【宇宙】＞

この世界の物質はすべて「ひも」でできていた？

物質は分子から作られ、分子は原子から構成されます。その原子を構成するのが陽子や中性子、電子であり、そのもとになるのがクォークです。このクォークのような素粒子が、この世界の物質を構成する最小単位と考えられています。

素粒子にもいろいろな種類があり、物質のもとになる「クォーク」や「レプトン」、光子などの力を伝える「ゲージ粒子」、質量を生み出す「ヒッグス粒子」などに分類され、それぞれ異なる特徴を持っています。

素粒子の形は、粒か、ひもか？

さて、この素粒子は、いったいどのような形状をしているものなのでしょうか。「粒子」という言葉から、点のような「小さな球状の粒」と想像するのが普通ですね。

ところが素粒子は、私たちが普段目にするものとはまったく異なる性質を持っているのです。例えば、昔から「光は粒子か、波か」という議論が行われてきました。いろいろな理論、実験、検証の末、「粒子と波の両方の性質を持っている」ということがわかってきました。

しかし、そこに新たに「実はひもの形をしているかもしれない」という仮説が加わったのです。

量子の世界では、私たちの目に見える世界の常識では説明できないような不思議な現象が起こります。それを説明するのに、単純な形の「粒」よりも、複雑な形状を持てる（情報量を多く持てる）「ひも」のほうが都合がよいと考えられましたわけです。

「統一理論」にもっとも近い理論として

別の視点からも超ひも理論は期待されています。

自然界には、重力、電磁気力、強い力、弱い力の4つの力が働いています。重力、電磁気力は、みなさんにも馴染みがあるはず。強い力、弱い力は原子のようなミクロな世界で働く力であり、私たちの日常生活で感じることはないでしょう。いずれにせよ、この4つの力にこの宇宙は支配されているのです。

しかし宇宙が生まれたときは1つの力だけがあり、ビッグバン膨張により宇宙が広がって温度が冷えるにつれ、分離して4つの力となり、現在に至ったと考えられています。

そこで「もともと1つであったということは、4つの力をまとめて説明できる１つの理論があるのではないか」という研究が始まりました。その理論にはいくつかの仮説が挙げられますが、中でも超ひも理論は最有力候補と見られているのです。

最初に取り組まれたのは電磁気力と弱い力を統一するというものでした。「電弱理論」と呼ばれるその理論は、すでに完成しています。さらに強い力を含めて３つの力を統一する理論「大統一理論」は、完成には達していませんが、ある程度のところまで研究が進んでいます。

重力と量子論の矛盾の解消へ

しかし、4つすべてを統一するという「超大統一理論（「万物の理論」「統一場理論」、シンプルに「統一理論」とも呼ぶ）」の研究には困難が待っていました。そのもっとも大きな壁になっていたのが、重力です。

目に見える世界での重力の法則は「相対性理論」で説明でき、素粒子のようなミクロな世界の法則は「量子論」で説明できましたが、この2つの理論を合わせて考えると、矛盾が生じるという問題がありました。

ところが、すべての素粒子はひもであると考えると、それがクリアできる可能性が見いだされました。超ひも理論は、いわば相対性理論と量子力学をつなぐ理論ともいえるのです。

超ひも理論とは？

前説が長くなってしまいましたが、さて、今回のテーマである超ひも理論とはどういう理論なのでしょうか。とても難解な理論なので、本当に研究したい人は大学で学んでくださいという前提で、簡単に説明します。

超ひも理論では、素粒子や力はひもから生じるものと考えます。

先ほど素粒子にはクォークやレプトン、ゲージ粒子などがあると説明しましたが、細かく分けると17種類になるとされています（2022年現在）。これを、ひもの振動、形によって、17種類の素粒子、および4つの力が生じると説明します。

これは弦楽器によく例えられます。ギターやバイオリンなどの弦楽器は、弦というひもの振動で音を鳴らしますが、弦の長さや振動で、音の種類や大きさに違いが生まれます。これが、ひもの形や振動によって、いろいろな素粒子や力が生まれるたとえに使われているのです。

このように素粒子や、4つの力すべてを1つの理論で説明できるという点で、超ひも理論は画期的なのです。この超ひも理論が完成したら、超大統一理論のできあがりです。

新たに生まれた10次元時空間という謎

しかし超ひも理論によって、新たな謎も生まれました。それは「この世界は、縦、横、高さの3次元空間ではない」かもしれないということ。というのも理論を推し進めると、「この世界が4次元時空間では、超ひも理論と矛盾する。10次元、もしくは11次元の時空間でないか」と考えられたからです。

3次元空間ではX軸に対して直角に、Y軸が交わります。そしてX軸、Y軸に対して直角にZ軸が交わります。それらに対してさらに直角に別の軸が交わると考えられるのですが、もはや想像できるレベルを超越している感じがしますね。

では、私たちに認識できない残りの次元はどうなっているのでしょうか。「ビッグバン膨張で大きく広がったのは私たちが認識できる3つの次元だけで、残りの次元は小さいままなのではないか」「カラビ・ヤウ多様体という小さくて奇妙なものに閉じ込められているのではないか」などと考えれています。

＜10次元時空から4次元時空へ－超弦理論で初期宇宙のダイナミクスに挑む＞

・カラビ・ヤウ多様体
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AB%E3%83%A9%E3%83%93%E3%83%BB%E3%83%A4%E3%82%A6%E5%A4%9A%E6%A7%98%E4%BD%93

「ひも」は社会の役に立つのか？

この超ひも理論が、将来社会に役立つことがあるのかといえば、未知数です。しかし、このような基礎的な研究が社会に役立っている前例はいくつもあります。

この世界には4つの力があると説明しましたが、その１つである電磁気力はかつて「電気の力」と「磁力」という２つの異なる力と考えられていました。しかし19世紀の科学者マクスウェルが、電気と磁気は同じものであると証明したのです。

「電気と磁気が同じ」と聞かされても、「だから、何？」と思う人がほとんどでしょう。しかし、その証明から電気工学、エレクトロニクスが大いに進歩しました。私たちが電化製品を利用できるのも、マクスウェルの研究の恩恵なのです。しかし、マクスウェルの生きていた時代には、今の時代のように電化製品に囲まれた生活が送れるとは誰も想像していなかったに違いありません。

また、原子力エネルギー（核分裂のエネルギー）も強い力の研究から生まれたものです。クリーンな核融合エネルギーも実用化に向けて研究が進められています。これらは基礎的な理論が確立されたからこそ、生まれたテクノロジーです。

また統一理論は、全宇宙で働く力の研究でもあるので、相対性理論では扱えないブラックホールの内部、宇宙誕生直後の解明へとつながる可能性も秘めています。