時空をつなげる「ワームホール」を”人間が横断できる”可能性が示される!

space

Credit:depositphotos

reference: universetoday

SF世界のワープ航法が現実になるかもしれません。

現在、宇宙はあまりに広大すぎて、人類が光速での移動を実現できたとしても、人の寿命では隣の星系まで行くことができません。

そのため、数々の宇宙時代を描いたSF作品には空間を超越して移動するワープ航法が登場します。

現実の物理学で、このアイデアにもっとも近い可能性を与えているのがワームホールです。

これは簡単に言うと、一般相対性理論から導き出される時空をつなげるショートカットトンネルです。

ただし古典物理学に従えば、ワームホールは存在したとしても横断することはできないとされています。

しかしこの度、量子物理学の研究者が「Humanly traversable wormholes (訳: 人間が横断可能なワームホール)」と題した興味深い研究を発表し、その中で完全に安全な通行が可能なワームホールの可能性を示したのです。

そもそもワームホールとは?

ワームホールは時空のある地点から別の地点へ、光速を超えた瞬時の移動を実現する手段です。

ワームホールは次元を超えたショートカットトンネルと考えることができます。

例えば世界を1辺が1光年ある巨大な紙だったと考えてみましょう。紙の端から端まで行くには光の速度で移動しても1年かかってしまいます。

しかし、この紙を端と端を合わせて折りたたんだ場合はどうでしょうか? 畳んで出発地点とゴールを合わせてしまえば、1光年の距離を隔てていようと、移動時間は0にできてしまいます

これを私たちの住む時空で考えたものがワームホールです。

Credit:Panzi – en Wikipedia

私たちの住む時空は、私たちが気づいていないだけで高次元上では折りたたまれて、はるか遠い場所と隣り合っている可能性があります。

このことをアメリカの物理学者ホイーラーは、りんごの反対側へ行くのに表面をなぞって移動するより、中を突っ切った虫食い穴を通ったほうが速く移動できる、という例え話で説明しこの虫食い穴のショートカットトンネルをワームホールと名付けたのです。

ワームホールは現実の世界でも存在することが理論上認められています。その基礎的な理論は20世紀初頭にアインシュタインの一般相対性理論に対応する形で登場しました。

しかし初期にアインシュタインとローゼンが計算したワームホールは、非常に不安定ですぐに崩壊してしまうため、中を通り抜けるということは不可能だと考えられていました。

安定したワームホールを作るには?

Credit:depositphotos

ワームホールを安定させるためには、負のエネルギーが必要になります。

これは古典物理学では許されていませんが、量子物理学の世界では「カシミール効果」で存在が確認されています(カシミール効果については、こちらの記事を参照)。

しかし、量子物理学は古典物理学では扱えない非常に小さな世界でのみ適用される理論です。負のエネルギーも存在するとしても、それは非常に小さいものでした。

今回の研究を発表したプリンストン高等研究所のMaldacena氏とプリンストン大学のMilekhin氏は、この効果が巨大な磁気を持つブラックホールでは、かなり大きくなることに気づきました。

新しいアイデアでは、荷電したゼロ質量フェルミオン(電子のような粒子だが質量は0の粒子)を、ブラックホールの磁力線に沿って移動させた場合、周囲の空間が平坦であれば粒子は円を描くように移動して閉じた空間を作り、ここでカシミール効果が真空エネルギーに働きかけ、負のエネルギーを持つことができると説明しています。

ここで発生する負のエネルギーの存在は安定したワームホールを維持させることができるのです。

ワームホールは安全に通行できる?

Credit:depositphotos

ワームホールを安定させる方法が示されましたが、この方法で発生する負のエネルギーは大きいと言ってもそれは量子レベルで見た場合です。

この方法ではワームホールはミクロサイズでしか存在できず、トンネルの距離も非常に短距離しか結べません。

では宇宙船が入れるような大きいワームホールは作れないのでしょうか?

今回の研究は、この問題をランドール・サンドラムモデルを利用すれば解決できるということを示唆しています。

「ワープする宇宙」などの書籍で有名な物理学者、リサ・ランドールらのモデルは、物理学を代表する4つの力のうち重力が非常に微弱である問題を説明するもので、宇宙を5次元時空として記述し、重力はその余剰次元から漏れ出てくる力なので、非常に弱いのだと説明しています。

この5次元時空は、通常私たちが探索するより低いエネルギーの物理学で記述される可能性が高いとされていて、この考えを取り入れれば、既知の物理学に強く相互作用する質量のない場を追加できるのだといいます。

このためには負のエネルギーの発生が必要なため、これが大きなワームホールを支える力になるかもしれないのです。

こうして発生した大きなワームホールは、「外から見た場合ブラックホールと見分けがつかないだろうが、必要な要件が揃えば通過は可能だ」と研究者たちは主張しています。

結局ワームホールに実用性はあるのか?

Credit:depositphotos

もしワームホールが通過可能だとすると、これは宇宙をワープするための手段として使えるのでしょうか?

ハーバード大学の Daniel Jafferis氏はこの問題について、安定したワームホールが可能だったとしても、そこを通り抜けるためには通常空間の移動よりも時間がかかるだろうということを以前の研究から示しています。

これに対して今回の研究者らは、ワームホールを通過する旅行者視点では、時間はほとんど経過しないだろうと考えています。

彼らによると、一般相対性理論に従えば、光速で移動する人間は時間の拡張(時間の流れの遅延)を経験するため、1万光年の距離をワームホールで通過した場合でも、旅行者の体感時間は1秒程度だろうといいます。

ただし、ワームホールの外にいる我々の目から見た場合、彼らがワームホールを通過するのにかかる時間は、1万年以上に見えるとのこと。

また、ワームホールの通過には重力が宇宙船を加速させるため、一切燃料を必要としないということも述べられています。

実用的かどうかは怪しい結果ですが、他にもこの研究で示されたワームホールには欠点があります。

まず今回の研究で示された通過可能なワームホールは、自然に形成されるメカニズムが存在しないため、負のエネルギーを利用して誰かが設計して作らなければ実現できません

そして理論的には可能であると示されているものの、前提とされている時空構造がきちんと現実に存在している必要があります。

やはりワームホールを未来の移動手段にすることは非常に困難なようです。

しかし、SFの主要なメカニズムを現実の世界で真面目に検証してくれる研究は、とても興味深いものです。(ほとんど何を言っているのかわからないとしてもね…)。

あわせて読みたい

SHARE

TAG