●「4次元空間と重力とタイムトラベル」(カルツァ=クライン理論)

2018/2/23

 

宇宙空間をただよう亀-ウラシマ効果イメージ

 

前回宇宙人の正体について考察したが、その中の異次元からやってきているという説に関して、「異次元とは何なのか?」、「どこにあるのだろうか?」

※正直いうと、これが調べたくて前回の記事を書いた。

 

異次元といってもいろいろあるが、今回はわれわれのいる3次元空間から1つだけ次元を加えた「4次元空間」について考えてみる。

 

4次元空間といえば、ドラえもんやのび太がタイムマシンに乗って移動するぐにゃぐにゃ空間を想像されるかもしれない。

 

4次元空間イメージ

こんなイメージは漫画やアニメ限定なのかもしれないが、本当の4次元空間を今だかつて誰も見たことがないのだからわからない。

 

というか、4次元空間はわれわれ3次元人には認識できないとされている。

 

例えばカタツムリのような平面(2次元)移動しかできない生き物には、高さという3番目の方向(次元)があることを理解できないように、われわれは縦・横・奥行きの3次元しか認識できないので、もう1つの方向(次元)がどこにあるのか、どんなものかを理解することができない。

 

さて、今回は「「4次元空間と重力とタイムトラベル」というタイトルをつけた。

 

「4次元空間」と「タイムトラベル」の関係は上のドラえもんのタイムマシンの例でもイメージできると思うが、もう1つの「重力」と「タイムトラベル」とはどんな関係があるのか?

  

一般相対性理論によれば、重力の強い場所にいると時間の進みが遅くなる。

 

映画「インターステラー」 では、ブラックホール近くの重力の強い星に降りた乗組員が、母船に帰ってみると自分より数十歳も年をとった同僚に出会うシーンが描かれる。

 

つまり重力の弱い場所から重力の強い場所に移動して何日か過ごし、再び重力の弱い場所に戻ると未来の世界へタイムトラベルすることになる。

 

反対に重力の強い場所から重力の弱い場所に移動して何日か過ごし、再び重力の強い場所に戻ると過去の世界へタイムトラベルすることに・・・なるわけではない。

 

この場合は自分の時間だけが速く進み、自分だけが年をとることになる。

 

ちょうど青年の浦島太郎がお土産にもらった玉手箱を開けたとたん、おじいさんになったようなものだ。

 

ウラシマ効果という名前が付くぐらいタイムトラベルの例えとして引用されている浦島太郎の話だが、特殊相対性理論における光の速度に近づくほど時間の進みが遅くなるという現象を説明するのに使われることが多い。

浦島太郎と亀

「助けた亀が実は亀形の宇宙船で、光速に近いスピードで宇宙空間を旅し、遠い星の竜宮城で過ごした後再び光速に近いスピードで地球に帰ってきたので、帰ってきた浦島太郎は数十年先の未来の地球に戻ってきた」と説明される。

 

竜宮城から帰ってきた浦島太郎はぼろぼろになった自分の家を見たり知り合いが皆ずっと前に死んでしまったことを知って愕然とし、元いた時代から何十年も先の未来にやってきたことを理解するのだが、この段階ではまだおじいさんになってない。

乙姫の「この箱を開ければ時間が戻る」という言葉を頼りに玉手箱を開けて煙を浴びたとたん、おじいさんになる。

浦島太郎と玉手箱

玉手箱の中には重力を軽減するような未知の物質が入っていたのかもしれない。

 

それを開けた浦島太郎はマイナス質量の影響で時間の進み方が速くなりどんどん年をとる。でも玉手箱から影響を受けない範囲の地球の時間は普通に進んでいく。

未知の物質が蒸発した後通常の時間に戻った浦島太郎を待っていたのは、おじいさんになった自分と相変らず知り合いのいない未来の世界だった・・・。

 

 

前置きがずいぶん長くなってしまった。

 

さて不思議.netに次のような記事が掲載された。

 

●ぼく「重力ってなんで存在してるの?」理系「神に近い何かがそうさせた」

2018年2月4日 不思議.netより

 

スレの中では重力の正体としておなじみの2次元空間が重い質量の物体によって沈みこむ図が掲載されており、

 

質量によって歪む空間
質量によって歪む空間

歪んだ空間が重力の正体と紹介されている。

 

でもそもそも「なぜ質量があると空間が歪むのか?」はよくわかっていない。

スレでも「質量がアインシュタイン方程式に従って空間を歪めてると考えると色んな現象が説明できるとしか言えない」と誰かが答えている。

 

これはアインシュタインが一般相対性理論を発表した約100年前の1916年にも問題となり、その仕組みをいろいろな科学者が考えた。

 

特に問題だったのは自然界に存在する2つの力-「電磁気力」と「重力」との関係性を説明することだった。(当時はまだ「強い力」や「弱い力」は発見されていなかった)

 

テオドール・カルツァは、それこそ3次元空間の上に4次元空間というもう一つ高い次元を設定したらうまく重力と電磁気力を説明できるのではないかと気づき、その論文を一般相対性理論の考案者であるアインシュタインに送った。

 

だがなぜ 「電磁気力と重力の統一が難しい」のか?

 

この問いに正確に答えることも難しいのだが、電気や磁力の作用する電磁場は原則として空間や時間の内部にある。そして重力の正体はこの時間や空間という時空構造の歪みなのだ。

つまり一般相対性理論における重力は時空そのものの歪みなので、より根源的なものだから統一が難しいと私は理解している。

 

さて、カルツァの考えた4番目の次元を具体的に10-33cmのプランク長以下に丸め込まれているとしたのが、オスカー・クラインだ。

 

丸め込まれた次元
丸め込まれた次元

そして4次元空間に時間(1次元)を加えた5次元時空ならば、電磁気力と重力を統一できるのではないかと考えられ、2人の名前をくっつけて「カルツァ=クライン理論」と名づけられた。

 

「カルツァ=クライン理論」を説明するのによく使われるのがホースを使った例えだ。

「カルツァ=クライン理論」によるコンパクト化の考え方
「カルツァ=クライン理論」によるコンパクト化の考え方

 

ホースの筒の部分は近くで見るとぐるっと囲む縦方向と、長く伸びた横方向の2つの次元をもっているが、離れてみると1本の伸びた1次元のようにしか見えない。

4番目の次元もこのようにコンパクト化されており、われわれには見えなくなっているというのだ。

 

カルツァ=クライン理論は後の超弦理論として発展していくのだか、そもそも4番目の次元は思考実験だけでなく実際に存在するのか?

 

●【ガチ】ついに「4次元空間の存在」が2つの実験で確認される! 我々の周囲に“異次元空間”が広がっていることが判明、革命的ブレークスルー到来!

2018/1/18 トカナより

 

トカナの元記事を調べてみると、ヨーロッパとアメリカの別々の実験で、4次元空間の存在の可能性が「Nature」に発表されたという。

 

ドイツ・イタリア・スイスの合同研究チームが光子の動きを追跡研究している過程で、光子の挙動を分析して、「4次元量子ホール効果」という4次元の影響がある場合にのみ可能となる不規則性をつきとめた。

 

さらに米ペンシルベニア州立大学の研究チームはレーザーで作られたグリッドの上に、絶対零度近くまで冷却された原子を配置して垂直方向から電流を流し、電荷の流れから4次元空間の影響があるという結果が示された。

 

 

リサ・ランドール教授の著者「ワープする宇宙」によれば、3次元の影が2次元として現れるように、4次元の粒子(カルツァ=クライン粒子と呼ばれる)はわれわれには認識できないが、3次元の影として観測できるかもしれないという。

 

とても小さな4次元空間は、われわれのすぐそばにあるのかもしれない。

 

もしかしたら将来重力波の研究が進めば、4つの力のうち唯一次元を超えて干渉できる重力によって、コンパクト化された次元に住む異次元人グレイとコンタクトできるかもしれない!