【五次元の存在】どんな世界?相対性理論/四次元の存在と時間。

五次元の存在

みなさんの存在する宇宙というのは、現在、確かめられて存在する限り少ない場合でも「四次元」の世界だと考えられているそうです。

高さ、幅、奥行き、それから時間。

リアルにその4つの軸を、完全に認識する事はそんなにないでしょうが、そうであっても何か事件や出来事が起こった時に「どこで」「いつ」起きたのか、ことこそがその情報の重要な点である事はどなたでもお気づきだと思われます。

高さや時間については、みなさんの生活がある中からダイレクトに体験しづらい点ではあるのですが、いずれにせよこの「世界」で起こった事、状況を考えるならば私たちは四次元という形で世界を理解しているからだといえます。

ですが、一歩先行く、物理学であれば、なお一層、世界に関し「五次元」以上の認識が考察されているのです。

三次元の空間と、時間を含めた四次元、では五次元より先というのは、どういう軸を持つというのでしょうか?

最新物理が見い出そうという「世界」の姿を、なるべく理解できるように紹介したいと思います。
 

ニュートンが世界を四次元とした。

 
四次元の世界を作り上げている軸の1本とされて「時間」というのが理解されたというのは、物理学史実上においても新しいものになります。

万有引力の法則だけではなく、現代の物理学にも、結びつく色々な力学法則を探し出したアイザック・ニュートンは、俗にいう「ニュートン力学」と考えられるものを構成する世界としまして「絶対時間と絶対空間」と考えられるものを想定していました。

「絶対空間」というのは外側からの干渉は受けず均質で揺らがないとして考えられたものであって、「絶対時間」も全ての干渉は受けることなく、宇宙を一定して連続して流れる時間ということです。

ニュートンはこの「絶対時間と絶対空間」を言ってみれば、ニュートン力学の前提となる舞台としまして考えました。

考えようによってはこの地点、ニュートン力学の概念それこそが物理学に「時間」を持ち込んだということかもしれないです。

力学それ自体、物体の運動を扱うということですので、物体が「どのように」「どれだけの時間で」動いたか、言ってみれば、三次元の位置情報だけに限らず、「時間」という軸をきっちり設定する必要が出来たのです。

ニュートン力学、更にそのポイントから発展してきた一通りの力学研究を「古典力学」と言うこともあって、これは古典、というような言葉の響きとは違い「マクロ」な、すなわち大規模な物質の運動からすれば現在も高い精度を誇っていて、機械動作や弾道計算、また天文学や宇宙科学に伴う力学、宇宙船や衛星の運動、また銀河に関係する研究・業績に何よりも大きな貢献をしていると思われます。
 

最後の大物「相対性理論」。

 
ですが、古典力学の世界で均一に流れ続けるとされている「時間」の概念からでは、理解できない事象がありました。

それこそが「光」の存在になります。

19世紀の後半に電磁気に関係する法則の基盤となる「マクスウェル方程式」が構成されました。

そうしてこの方程式を解くことから、「電磁波の速度」=「光の速度」となっていることが明かされました。

それにより、光の正体というのは「電磁波」なのだという予測が立てられ、後々、それこそが正しいという事もわかったのです。

しかし、この発見に関してはより一層の問題が明らかになったことになります。

これについては、「絶対時間と絶対空間」との矛盾だったのです。

マクスウェル方程式を基礎とする電磁気学とこれまで古典力学の基礎と考えられていたニュートン力学はいずれも現実の世界の状態から導き出されたのにも関わらず「双方ともに矛盾する」場面を持っている事が分かったのです。

この矛盾を克服し、論理的な説明と統一した法則を導くことから、大多数の科学者が仮設を立て、実験をしてきたのです。

その完成形になったというのが、アルベルト・アインシュタインにおいての「相対性理論」だった。

相対性理論というのは、限られた環境の中での「特殊相対性理論」とそれを発展させ汎用的とした「一般相対性理論」のひとくくりにした名称です。

この相対性理論の柱である考え方というのは、「光の速度は常に一定である」といったものでした。

これは電磁気学の研究者たちにおいての矛盾を解消するための色々な実験のあるもの全部示された現象でした。

更に、光の速度を前提と考える相対性理論では「絶対時間」を否定することになってしまいます。

2つの物体の「相対速度」が光速に近づけば近づくほど、その物体同士に働く時間にズレが生じるとされる現象、よく出される例で、「地球から光速がかったスピードで宇宙を旅すると、地球に残っていた方のみが年をとる」とされるのは相対性理論のメインになるポイントとされ、その発表は私たちの世界の捉え方を大幅に変えた出来事となりました。

古典力学とは分けて、物理学の世界では分子や原子、更にそれを構成する電子というものを扱う分野の「量子論」について、事前の物理学の分野を「古典論」としまして分類して、呼んでいるのですが、「相対性理論」というのは古典論の範囲においては「物理史上で最後の大物」だと言われています。

そしてその古典論を象徴する理論としまして一般相対性理論という点は、量子力学と並ぶ現代物理学の基本となっているのです。
 

2つの理論を隔てるのは・・。

 
ですが、その量子力学と相対性理論においては、まだ理論としまして途切れているポイントがあるのです。

現在、人類がご存知の物理法則というのはありとあらゆるものが「場の量子論」ということで量子力学の理論、更に、古典論を象徴的に示す「一般相対性理論」で説明可能なのですが、何はともあれ、この一般相対性理論と量子論を融合させた理論というのはまだ出来上がっていないとのことです。

この2つの理論をまだ繋ぐ事ができていない理由は、ある意味で物理学の基礎、ニュートン力学までさかのぼります。

量子論と一般相対性理論が深刻な矛盾を起こすというのはなんと「重力」に関して扱った時だとされます。

ある意味では、ニュートン力学の発生というのは重力を研究したことによって始められたからだと言えます。

それ以後の物理学の発展を支えてきた理論、そのきっかけとなった「重力」といった存在が最新の物理学だろうと解決できない「謎」としまして今立ちはだかっているというわけです。

量子論と一般相対性理論を繋ぐ「量子重力理論」は万が一にも出来上がればこの世の全てを説明することができる「万物の理論」といってもいいものになると思われます。

その完成を前にして妨害する「重力」、他の言い方でいうなら、ラスボスということもできるその存在を解き明かすことから、人類が考えた仮設の1つが「五次元」だったのです。
 

カルツァ=クライン理論。

 
ドイツの物理学者だというテオドール・カルツァが提唱し、スウェーデンの物理学者オスカル・クラインが修正したことから、2人の名前を貰って「カルツァ=クライン理論」というのはその重力を矛盾なく扱うように考えられたものとなります。

これについては、今日まで、四次元と考えられてきた、現実空間が「五次元」であると推測するものでした。

高さ、幅、奥行き、時間の4つの軸に付け加えてかなり小さな円形の時空を、もう一つプラスすることから「五次元空間」となる世界を考えた時、重力を矛盾なしで扱うことが出来る可能性が出てきたのです。

より一層、この見解を拡張させることにより、具体的に言うと時空の数を増やすことにより、いかなる場面でも矛盾なしの説明がつくことになる可能性が出現しました。

一番最初に考えられた現実世界で観測可能な「四次元」を突出した「五次元」の発想、これは物理学にまた一つとされる大きな転換点を招いたことになるのです。

このポイントから発展した「超弦理論」では11次元時空を考慮に入れる事により矛盾のない論理を導き出す事に成功したのです。

「超ひも理論」というような別名を聞き及んだ記憶がある人もたくさんいるのではないでしょうか?

過去には物質の構成する最小の単位は「原子」だと、されていましたが、現代では更にその「原子」を構成するうちの電子、さらには原子の構成要素である中性子陽子を構成するクォーク、こういった「素粒子」が最小の単位であると定義されています。

素粒子は場の量子論では「点」、要するに体積を持たないゼロ次元の存在とされていたのですが、素粒子を「弦の振動」ということで扱えることにより、考えられたことが「ひも理論」と言われるもので、更にそれをステップアップさせたものが「超弦理論」であります。

現代においてはいまだに、この四次元を超越する次元はリアルに発見・観測されたわけではないのです。

かなり小さな次元が存在することにより、量子論一般相対性理論を矛盾なく成立させることができることはまだ原則的に解き明かされるかもしれないという、完全な「理論」だけでの段階となります。

ですがこの世界を「四次元」であると限定しない発想が物理学を未知のステージに導いた事は疑う余地がない事実なのです。
 

物理は面白い。

 
ある天才が簡単に世界を解き明かす事もあったり、なお一層上回る謎がもたらされることもあって、そのことがもとより最初に出てきて一番最初に解き明かしたと思った現象であるとか、あたかも、物語というような展開が展開され依然として続いている、それこそが現代物理学だとされます。

「万物の理論というのは有るのか?」

物理学者たちというのは本日も冒険家のごとくその答えを見つけ出そうとしているのです。