物質と反物質、そして二つの宇宙

宇宙は物質でできている。私たちが観測する銀河や恒星、惑星、そして私たち自身の身体まで、すべて物質でできている。現代物理学は、この物質に対応する反物質が存在することも明らかにした。ところが、物質と反物質という名称は、初めから誤解を招きやすい。まるで一方が本物の物質で、もう一方が偽物の物質であるかのように、あるいは物質と反物質が出会えば何も残らなくなるかのような印象を与えるからだ。実際には、反物質も物質と同じように実在する物理的な存在である。電子は負の電荷を持ち、それに対応する反粒子である陽電子は正の電荷を持つ。両者の質量は等しく、電荷の符号は反対だ。陽子と反陽子も質量は等しいが、電荷をはじめとする一部の量子的性質が反対になっている。では、物質と反物質が出会って消滅するとは、どういう意味なのだろうか。

電子と陽電子が出会うと、二つの粒子は消え、光子が生成されることがある。ここで消えるのは、電子と陽電子という粒子それぞれの個別の存在としての同一性である。エネルギーが消えるわけではない。二つの粒子の静止質量に相当するエネルギーは光子のエネルギーに変換され、全運動量と角運動量も保存される。電子の負の電荷と陽電子の正の電荷は、合わせるとゼロになる。光子には静止質量がないが、エネルギーと運動量があり、スピンに関連する角運動量の性質も持っている。したがって、物質と反物質の消滅とは、物理的な実体が無に帰する出来事ではなく、特定の粒子が別の粒子へと変換される過程である。物質と反物質は、互いに対立する実体というよりも、同じ物理法則のもとで対称的な性質を持つ存在なのだ。

では、なぜ宇宙にはこれほど多くの物質だけが残っているのだろうか。現代宇宙論では、初期宇宙に物質と反物質がほぼ同じ量だけ存在していたと考えられている。それらが互いに消滅し、ごくわずかな物質だけが残って現在の宇宙を形成したというのだ。一般に、十億個の反物質粒子に対して、物質粒子が一個多く存在していたと説明される。十億という数字は途方もなく大きく見える。ところが、直径約〇・五ミリメートルのありふれた石英の砂粒一つにも、約五百京個の原子が含まれている。十億個の原子を一つのまとまりとして考えるなら、砂粒一つの中に、そのようなまとまりが約五十億個も存在することになる。十億個のうち一個が残ったという説明は、割合を示しているのだ。宇宙全体でそれだけの割合の物質が残ったとすれば、その絶対量は、今日のすべての銀河や恒星を構成できるほど巨大なものになりうる。

その数字は、初期宇宙の粒子を直接数えて得られたものではない。科学者たちは宇宙背景放射や初期に形成された元素の存在比率などを観測し、物質と放射の相対的な量を計算する。その結果を、初期宇宙における物質と反物質の非対称性として解釈するのである。ところが、なぜ最初にそのような非対称性が生じたのかは、まだ解明されていない。科学者たちはこの問題を理解するため、宇宙で反粒子を探し、実験室で反物質を作ってその性質を測定している。1976年にノーベル物理学賞を受賞した中国系アメリカ人物理学者サミュエル・ティンは、宇宙で反物質を探す大規模な実験を主導した。2011年5月、彼の研究チームが開発したアルファ磁気分光器AMS-02が、スペースシャトル「エンデバー」に搭載され、国際宇宙ステーションに設置された。この装置は宇宙から飛来する高エネルギー粒子の電荷や運動量などを分析し、物質粒子と反粒子を識別する。実際に宇宙では陽電子や反陽子が検出されている。これらは宇宙線の衝突によっても生成される。そのため、反粒子が発見されたという事実だけで、反物質からなる恒星や銀河が存在すると結論づけることはできない。欧州原子核研究機構CERNでは、反陽子と陽電子を結合させて反水素原子を作り、電磁場を利用して閉じ込める実験も行われている。物質と反物質の性質を精密に比較し、まだ発見されていない違いが存在するかどうかを調べているのだ。

ここまでが、現代物理学で実際に行われている研究である。では、別の可能性を考えてみよう。最初の宇宙には物質と反物質が正確に同じ量だけ存在し、現在の私たちの宇宙に残っている物質の量に対応する反物質も、どこかに存在しているとしたらどうだろうか。その反物質が遠く離れた銀河ではなく、もう一つの宇宙に存在しているとしたら。一方は物質でできた宇宙であり、もう一方は反物質でできた宇宙である。二つの宇宙は同じ起源から誕生し、それぞれが独自の空間と時間を持っている。反対側の宇宙にいる存在も、恒星や惑星を観測し、生命や文明を形成しているかもしれない。彼らにとって、自分たちの身体を構成する粒子は普通の物質である。むしろ私たちの身体を構成する粒子のほうが、反物質に分類されるだろう。どちらが物質で、どちらが反物質なのかを決める絶対的な宇宙の名札など存在しない。

宇宙を二つの対称的な世界として考える発想は、まったく新しいものではない。2018年、レイサム・ボイル、キーラン・フィン、ニール・トゥロックは、CPT対称性に基づく宇宙論を発表した。彼らはビッグバンを境に、私たちの宇宙と対称的な反対側の宇宙が存在する可能性を研究した。CPTとは、粒子と反粒子の性質を入れ替えるC、空間の向きを反転させるP、時間の向きを反転させるTを同時に適用する対称性を指す。この仮説では、ビッグバンを境に二つの宇宙の時間が互いに反対方向へ進む。ところが、どちらの宇宙の観測者も、自分の時間は前へ進んでいると経験するだろう。自分の記憶が形成される方向こそ、自分が経験する時間の方向だからだ。

ここでもう一つ、仮定を加えてみよう。二つの宇宙が完全には分離していないとしたらどうだろうか。私たちが粒子加速器で観測する一部の反粒子の生成は、実際には別の宇宙の粒子がこちらへ渡ってくる過程なのかもしれない。高エネルギー粒子の衝突が二つの宇宙の境界を瞬間的に乱し、そのとき開いた亀裂を通って粒子が移動する。亀裂はすぐに閉じるため、私たちは反対側の宇宙を観測できない。私たちはその現象を粒子の生成と解釈する。もちろん、実際の粒子加速器で観測される粒子の生成は量子場の理論によって説明されており、二つの宇宙の境界が開くという実験的な根拠はない。これは、まだ発見されていないもう一つの宇宙が存在するという仮定から出発した想像である。ところが、ある文明がその境界を安定して開閉する技術を開発したとしたらどうだろうか。彼らは異なる時間の方向を持つ二つの時空を接続できるようになる。そうだとすれば、時間逆行という現象も新たに解釈できるのではないだろうか。

私はクリストファー・ノーランの映画の中で『TENET テネット』が最も好きだ。賛否が分かれ、難解だという評価も受けたが、ほかのノーラン作品よりも『TENET テネット』にずっと強く惹かれた。何十回も繰り返し観たほどだ。観るたびに、時間の逆行と出来事の因果関係、登場人物たちが知っている情報と実際に起きたことの違いについて考える。映画では、登場人物たちが特殊な装置を通過することで、時間の進む方向を逆転させる。映画はこれをエントロピーの逆転として説明する。時間を逆行する人間は、自分の立場からすれば普段どおりに考え、動き、記憶を形成するが、ほかの人間には逆向きに動いているように見える。

ところが、二つの対称的な宇宙が実際に存在するなら、映画に登場する装置は時間を逆戻りさせる機械ではないのかもしれない。互いに反対方向へ進む二つの時空を接続し、物体の状態を相手側の宇宙の時間の方向に対応させる装置なのかもしれない。回転扉を通過した人間は、自分自身の時間を逆行するわけではない。その人間は依然として自分の未来に向かって生きている。私たちの宇宙の観測者に、その人間が時間をさかのぼって動いているように見えるのは、その人間が属する時間の方向が私たちとは反対だからだ。この仮説を物理学的に完成させるには、二つの宇宙の時間座標がどのように接続され、相手側の宇宙を通過した物体がどのようにして私たちの宇宙の過去に到着できるのかを説明しなければならない。

ここでもう一つ考えてみたい問題がある。映画の中の地球人たちは、自分たちが観測する時間逆行をエントロピーの逆転として解釈する。自分たちが知っている物理法則で説明しようとするのだ。では、反対側の宇宙の文明がこの説明を聞いたら、どう思うだろうか。彼らはすでに二つの宇宙が存在することを知っており、時空を接続する技術まで開発した存在である。彼らには、エントロピーの逆転という説明が、現象の本質を理解していない原始的な説明に見えるかもしれない。実際に起きたのは二つの宇宙の間の移動なのに、地球人たちは自分たちの宇宙で観測した結果だけを根拠に、物体の時間が逆向きに流れていると判断するのである。観測した現象は正しくても、その原因についての解釈は間違っているかもしれない。彼らは時間逆行技術を理解したと思いながら、その技術がどこから来たのかさえ知らないというわけだ。

こう考えるようになると、『TENET テネット』の物語がまったく違って見え始めた。映画では未来の人類が、自分たちの生存のために過去の世界へ介入しようとする。ケネス・ブラナーが演じるセイターは、未来から送られてくる金と情報を利用し、莫大な富と権力を手に入れる。彼は自分の死をきっかけに、アルゴリズムの位置が未来へ伝えられるよう計画する。ところが、セイターに金を送り、彼を操っている存在が未来の人類ではなかったとしたらどうだろうか。彼らが私たちの宇宙と対称的な、もう一つの宇宙から来たのだとしたら。彼らは自分たちが暮らす宇宙を原宇宙と呼び、私たちが暮らす宇宙を複製宇宙と呼ぶ。二つの宇宙の時間は反対方向へ進み、彼らはすでに時空の境界を操作する技術まで開発している。彼らがセイターに接近したのは、自分たちの過去を変えるためではない。自分たちの宇宙を脅かす別の宇宙を排除するためなのだ。

彼らにとって、私たちの宇宙は以前から深刻な問題を引き起こしていた。先ほど想像したように、私たちの宇宙で粒子加速器を稼働させるたびに、反対側の宇宙の時空に微細な損傷が蓄積していくと仮定してみよう。私たちの科学者たちは新しい粒子を発見したと喜ぶが、相手側の宇宙では原因不明の物理的な撹乱が繰り返される。彼らは長い間その現象を研究した末に、自分たちの宇宙と対称的なもう一つの宇宙が存在し、そこにいる知的生命体が絶えず境界を損傷させているという事実を発見する。私たちは宇宙を理解するために実験している。彼らは自分たちの宇宙を守るために、私たちの実験を止めなければならない。ところが、私たちの宇宙の文明は彼らの存在すら知らない。彼らの立場からすれば、災厄の原因を取り除かなければならない。粒子加速器を一つなくすだけでは十分ではない。この宇宙に知的生命体が存在し、物理学的な実験を続ける限り、同じ問題が繰り返される可能性がある。結局、彼らは二つの宇宙の境界を制御する技術を利用し、私たちの宇宙全体を消し去ることを決定する。

セイターはその計画を実行するために雇われた人間である。彼は金と権力を与えられ、相手側の宇宙の文明が求める装置の完成に協力する。彼の死は、その計画を完成させるための最後の合図となる。映画の中でアルゴリズムと呼ばれていたものは、未来へ送るべき発明品ではなく、二つの宇宙の境界を破壊したり再構成したりできる技術の核心だったのである。では、『TENET テネット』の主人公たちが戦っていた相手は誰だったのだろうか。彼らは、時間逆行技術を利用して過去を攻撃する未来の人類が敵だと考えていた。セイターを阻止し、アルゴリズムを確保することで世界を救ったと信じていた。ところが実際には、敵の正体さえ知らなかったのである。彼らが出会ったのは、別の宇宙から来た文明に雇われたセイターという一人の人間だけだった。彼は巨大な戦争の最前線に配置された斥候にすぎなかった。映画の登場人物たちは彼を阻止して勝利したと思っているが、彼らが対峙したのは敵の主力部隊ではなく、最も外側に置かれた代理人だったのだ。相手側の文明も、自分たちを侵略者だとは考えないだろう。彼らにとってこの戦争は、別の世界を征服するための戦争ではなく、自分たちの宇宙を守るための戦争である。私たちの実験が自分たちの世界を傷つけていると判断するなら、彼らは自分たちが正当な防衛を行っていると信じるだろう。

そして、私たちにはもう一つの問題が残る。彼らが自分たちの宇宙を原宇宙だと主張するなら、私たちはその主張をどうやって検証できるだろうか。二つの宇宙が同じ起源から誕生したのなら、どちらが原本なのかを決めることができるだろうか。彼らもまた、自分たちが原本であることを証明できないかもしれない。『TENET テネット』の主人公たちは未来との戦争に勝利したと信じているが、実際には別の宇宙から始まった最初の攻撃を阻止しただけなのかもしれない。彼らはまだ、自分たちが誰と戦っているのかさえ知らない。

地球の人類は今も、その事実を知らないまま粒子加速器を動かしているのかもしれない。