String theory and the hidden structures of the universe - Clifford Johnson

Transcriber: Andrea McDonough Reviewer: Bedirhan Cinar

翻訳: Hiroshi Uchiyama 校正: Tomoyuki Suzuki

So I work on trying to understand

いま私が取り組んでいるのは

how the universe works at the very basic level,

宇宙の仕組みを最も基本的なレベル ― 我々が探査しうる最も基本的なレベルで

the most basic level we can find.

理解することです

So, when you try in your everyday life

日常生活において

to try and work out how something works,

物事の仕組みを理解しようとする時

what you're actually doing is you're looking for

実のところ 私たちは

what I call hidden structures.

「隠れた構造」を 探そうとしているのです

For example, you take something like your cell phone,

例えば携帯電話― スマートフォンを

your smart phone,

例にしましょう

it's a complicated object,

これは とても複雑な物なので

and you might wonder how it works.

動作の仕組みが 気になるかもしれません

Well, what you can do is go in

フタを開けてみて

and actually take it apart.

分解することもできるでしょう

You'll void the warranty, but that's OK.

保証は無効になりますが まあいいでしょう

And you'll go in and what you'll find

そして内部を調べると

is that it's made of tiny little electronic components.

とても小さな電子部品で できていることが分かります

And those electronic components are actually moving around

電子部品の中では

a certain kind of particle that we know

ある種の粒子である

that's called the electron,

電子というものが動き回っています

and that's where the name "electronics" comes from.

電子は「電子工学」の語源となっています

So if you know the actual rules

電子部品を組み合わせる上での原則を 理解すれば

of how to put those things together,

you can actually make your smart phone

スマートフォンを開発したり

or you could make various other electronic devices as well.

その他の電子機器だって 作ることができることでしょう

So, there are people like myself

私のような職業で

who, actually for a living, try and do this sort of thing

生計を立てている人たちは

not just for, say, a cell phone or its components,

携帯電話や その部品といったものの 仕組みを理解しようとするだけでなく

but asking what, say, your hand is made of,

この手が何でできているか

or the chair you're sitting in,

また 我々が座わる椅子や

or the planet Earth,

地球、太陽、星、宇宙全体が 何でできているかという疑問を問いかけています

the sun,

the stars,

the entire universe.

地球、太陽、星、宇宙全体が 何でできているかという疑問を問いかけています

And so, using various kinds of instruments

いろいろな機器を用いて

and observations

観測し、実験し

and experiments,

we've been able to probe deeper and deeper over the years,

何年もの時間を経て 徹底的に 掘り下げていけるようになり

and we now know that the matter that we're made of

私たちの体を作っているものや

and that we see around us

周りに目にするものは

is actually made of tiny little elementary particles.

とても小さな素粒子から できていると分かったのです

And elementary particles interact with each other

素粒子は自然の力を介して

via the forces of nature,

互いに影響を及ぼしていることを 発見しただけでなく

but we've also discovered

that those forces of nature themselves actually operate

更には そういった自然の力自身も

by exchanging elementary particles as well.

素粒子の交換により生じるのだと 分かりました

They're actually particles of force that are exchanged

これらは実は力の粒子で 物質粒子の間で

by the particles of matter.

交換されています

And you may have heard this year

今年 耳にされたことと思いますが

that there was big news,

これらの話に関する 重大な発表がありました

a major announcement in this story,

the Large Hadron Collider, the LHC,

大型ハドロン衝突型加速器LHCという

a huge experiment in Europe,

ヨーロッパにある 巨大な実験装置により

has actually uncovered a Higgs boson,

ヒッグス粒子の存在が確認され

and that particle's job is to interact

この素粒子の働きとは

with the various elementary particles

様々な種類の素粒子と作用し

and give them the masses that we observe.

観測される粒子の質量を 与えることだと分かりました

So, this exciting picture is analogous

心を踊らせるこの画像は

携帯電話についての説明で お見せしたものと似ています

to the one I showed you for the cell phone.

We have the components

構成する物質と

and we have the rules of particle theory,

素粒子理論と呼ばれる 一連の法則があり

as it's called,

by which these all operate

それに従って作用して

and give rise to the various things.

様々なことが起こります

Now, we actually think that we've only just

今のところ 我々は

scratched the surface of finding this quantum world,

この世界の隠された構造である 量子の世界のほんの一部を

the hidden structure of our world.

理解したにすぎません

Let me give you three examples

私たちが今も解明に取り組んでいる難題から ３つを例に挙げましょう

of the puzzles we're still working on.

So, what I did is I gathered the particles up

ここでは 素粒子を全部集めて

into the patterns that they tend to form,

そこに生じるパターンに従って 整理しました

but we don't know where those patterns come from.

パターンが形成される 原理は分かっていません

We know how to describe the particles,

素粒子の性質が分かっても

but we don't know where the patterns come from.

パターンの形成理由は 不明です

When you see patterns in science,

科学においてパターンを見るということは 隠された構造を探しだすことなのです

you look for a hidden structure,

so that's one of the things.

これが１つ目の例です

Also, we now know that there's a huge amount

はるか彼方には 今お話ししたものとは異なる物質が

more matter out there

大量に存在することも 分かっています

than just the things that I was just talking about.

That stuff is called dark matter.

暗黒物質と呼ばれるものです

We don't know what it is,

それが何かは分かっていませんが

and we'd like to be able to get it

観測して

and experiment with it and figure out what it is.

実験により それが何であるかを 突き止めようとしています

And then, the other thing I'd like to talk about

そして もう１つお話ししたいことは

is the fact that the force of gravity,

おそらく私たちにとって 最も身近な力である

perhaps the most familiar force we know,

重力に関する事実です

when you get down to the quantum level,

量子のレベルで考察すると

it actually doesn't operate

実は素粒子理論とは 矛盾してしまうのです

according to those rules of particle theory.

So, given that gravity is actually about the shape

アインシュタインが示したように 重力が時空を形作るものだとすると

of space and time as Einstein taught us,

we, in working out what the quantum story of gravity is,

量子重力理論という 重力の量子論的な解釈を

which we call quantum gravity,

研究することで

we hope to get to groups of questions like,

一連の疑問に対する 答えを得ることを期待します

are there particles of space and time itself

例えば 時空自体の素粒子があるのか？

and how do they fit together?

理論がどう整合するか？

What are the rules?

その法則は？

So, this leads us to things

この問題の解明は 宇宙の始まりに関する 研究などへと我々を導きます

like studying where it all began,

13.7 billion years ago,

137億年前の

the Big Bang.

ビッグバンのことです

We know matter and energy

物質とエネルギーが

as we understand it was created,

生成されただけではなく

but also, space and time itself.

時空も作られたのだと分かっています

So those are the sorts of things

理論の探求において

we study in this quest.

我々はそういったことを 研究しています

Also, we have things that are around us today,

こんにち良く知られているもの

such as black holes,

例えばブラックホールなどは

which are very important clues.

とても重要なヒントになります

They're actually holes in space

これは宇宙にある穴のことで

that we'd like to understand.

我々が理解しようと しているものです

Also, the newly discovered dark energy,

また 最近発見された暗黒エネルギーは

which is the tendency of space

宇宙の膨張が

all through the universe to accelerate its expansion.

加速し続けているという 傾向を意味しています

So scientists are working on these kinds of things,

科学者はこのようなことを研究し

trying to understand what we think is now the case

考察した理論が 正しいことを示そうとしています

that there's not just hidden structures

それは 物質とエネルギーに限らず

of matter and energy,

時空にも隠れた構造が あるということです

but also space and time.

So the question is, what are the rules?

では その法則は どういうものでしょう？

And there are many approaches to this,

沢山のアプローチがありますが

and one of them is one you may have heard of,

その１つは皆さんが 耳にしたかもしれない

called string theory.

ひも理論です

And so it is one of many approaches

これは数あるアプローチの１つであり

and we don't know if it's right yet,

正しいかも未だ分かっておらず

we're not finished developing the theory,

理論は完成していませんが

but it's given us some really exciting, tantalizing hints.

とても魅力的で興味深いヒントを 与えてくれました

I'd like to tell you about a few of them.

これについて少しお話しましょう

So, one of them is simply that you take away

その１つは とても小さな 量子論の粒子を

the idea of looking for a tiny quantum particle,

探し求めるという考えを一度忘れて

you look instead for an extended object,

振動することができる「ひも」という 拡張された粒子を考えます

a string, which can vibrate.

And it actually gives you some exciting opportunities

この考えはとても興味深い機会を 与えてくれます

because, for example, it would say

たとえるならこういうことです

if we've missed that hidden structure

注意深く詳細な観察が不十分で

by not looking closely enough,

隠された構造を見逃していたなら

we wouldn't realize that many different kinds of particles

多くの異なる種類の素粒子も １種類のひもが

are just different vibrations of the same string,

異なる振動をしているだけとは 気づかないことでしょう

which is a really exciting possibility

これはとても興味深い可能性であり

and a huge simplification.

同時に大いなる単純化なのです

So that's one of the ideas.

これがアイデアの１つです

The other thing that's really exciting about string theory

ひも理論に関し 実に興味深い もう１つの点は

is that one of those particles it describes

理論で記述される素粒子の１つが

is actually the missing quantum of gravity

実は 理解しよう試みているものの 解明がされていない―

that we have been trying to understand.

重力の量子であることです

And then the other thing is that strings actually,

他の興味深い点は

instead of one wanting just to move in the dimensions,

ひもは 我々の良く知る ３次元空間の中に留まらず

the three space dimensions that we are familiar with,

actually seem to want to move in higher dimensions.

より高い次元の時空を 動いているように見えるということです

So we have this idea, then,

このようなアイデアを得ましたが

what would it mean for our world,

これが我々の世界を表しているとしたら

if this were anything to do with our world,

それはどういうことなのでしょうか？

and we don't know that yet?

それは未解決ですが

Here's a way that our world would arise from that.

（３次元の）世界を登場させる １つの考え方があります

You would have our world,

我々の世界を考えて

and then one of the hidden structures

そこに隠された構造の１つが

would be hidden chunks in space time

時空にひそむ次元では ないかというものです

that are not visible, those extra dimensions.

これは見ることの出来ない 余剰次元です

And then the various particles that we see in the world

この世界で我々が観測する 様々な素粒子は

would come from being vibrations of strings

ひもの振動から現れたものであり

and those patterns we saw that we can't explain

観測されたものの説明のついていない 素粒子のパターンは

come from the fact that the strings can probe

ひもが隠された次元の方向に振動し

and feel the shape of those internal dimensions.

作用することに起因するのだと 考えられます

So, one of the things, then, is

そのような理論の１つを 実際に

can we actually test this?

検証できるのでしょうか？

This is a lovely idea, but how do we confront this

素敵な考え方ですが この（３次元の）世界の科学で

with real experiments and observations

実験や観測を行うのですから

because we're doing science here?

どのように難題に 取り組むべきでしょうか？

And that's the hard thing.

実に難しいことなのです

We think that the energy you need

ひもが存在するとして

to probe the tiny-enough scales

これを観測するための 極めて小さなスケールの

to see the strings if they're there,

探査に必要なエネルギーの規模は

is more than we can hope to get any time soon.

すぐに利用できそうなレベルを 超えていると考えられます

But what we can do is we can look

私たちができることは

for the consequences of those hidden structures,

隠された構造の結果として 起こる事象を探し出すことで

we can look for how those things show up in physics

観測可能な物理現象としての 現れ方を

that we can get access to.

探求することです

So, that's why we study things like

だからこそ私たちは

dark matter,

暗黒物質、ブラックホール 暗黒エネルギーなどを観測し

black holes,

dark energy,

and we also look at remnants of the early universe,

暗黒物質、ブラックホール 暗黒エネルギーなどを観測し

初期の宇宙に放たれた名残である

the cosmic microwave background that satellites.

宇宙マイクロ波背景放射を 観測しています

And, importantly, we look for clues

また 重要なことですが

from the various kinds of particle physics experiments,

LHCなど 様々な素粒子物理学の 実験装置から得られる

like the LHC.

手がかりを探し求めます

So, one last thing, then,

最後に

is a new thing that's been going on.

現在進行中の新しい研究についてです

String theory may turn out to be useful

ひも理論が物理学の他の分野でも

in other areas of physics.

有用であるかもしれません

There are new kinds of experiments

新しい種類の実験があり

that start out, say, with our friend the electron,

おなじみの電子を用いて 実験を開始しますが

and actually show that in certain circumstances,

ある特定の条件下においては

the electrons interact in a way

電子の作用が全く新しい 奇妙な仕方で振舞うことが

that give you completely new,

weird kinds of behavior.

示されています

And there are models that show

そしてその説明に

that string theory's actually the best way.

ひも理論が最適だという モデルがあります

In some circumstances,

いくつかの条件下では

using the rules of string theory,

ひも理論を適用すると

you can actually explain that sort of behavior.

今お話ししたような振る舞いが 説明できます

So this gives us an exciting possibility,

これは心躍る可能性を開きます

there's real experiments you can do

実際に これらの電子を用いて 行える実験によって

with these electrons

that will help us shape the rules

ひも理論の法則を 定められるかもしれません

for what string theory is.

And you might go,

こう言うことも可能でしょう

"Well, OK, that's going to give us

「そうか ひも理論が 風変わりな電子工学を誕生させ

maybe some fancy new kind of electronics

that we can make a better cell phone with."

より優れた携帯電話を 作れるかもしれない」

But, what I'm saying that those rules

真にお伝えしたいのは これらの法則が

may actually be the same rules we're looking for

より大きな謎を解き明かすために 我々が探し求めてきた法則と

to see if string theory can help us

with these bigger questions.

同一であるかも しれないということです

So, at the end of the day,

要するに

the hidden structures of the universe we're looking for,

私たちが探し求める 宇宙の隠された構造が

may, one day, be right under our noses.

すぐにでも解明されるかも しれません

Thank you.

ありがとう