空間とは|基礎から超ひも理論まで解説

空間とは|基礎から超ひも理論まで解説 自然科学
空間とは|基礎から超ひも理論まで解説

「空間って? 歴代の科学者は空間をどの認識してたの? 空間について最新の科学を知りたい 物理学って何だか難しそうだな…」

こういった疑問にMBA学生の筆者が答えます。

結論

最新の科学では「空間とは二次的な概念」です。詳細は本記事にて解説します。

本記事の内容

空間とは

空間とは何かについては、紀元前から多くの学者が議論していますが、依然として明確な答えがだされていません。というのも科学が発展するにつれて空間という概念も変わりつつあるのです。歴代の科学者たちの空間をどのように認識していたのかアリストテレス、ニュートン、アインシュタイン、ウィッテンの理論を解説します。

アリストテレスの空間

古代ギリシアの時代から「空間や時間が、その中にある物質とは独立に存在するのかどうか」という議論は盛んに行われてきました。哲学者アリストテレス(BC.384~BC.322)は、真空のような物質で満たされていない純粋な空間はありえないと考え、「自然は真空を嫌悪する」と主張しました。つまり、空間や時間は、物質の存在や運動に付随して定義されるもので、それらと独立に存在してはいないと考えたのです。
アリストテレスのこの空間に対する概念は、その後2000年間、ヨーロッパで主流となりました。

ニュートンの空間

アリストテレスの考えが主流となっている中、アイザック・ニュートン(1642~1727)は力学の理論を完成するために、物質から独立した「絶対空間」と「絶対時間」の概念を導入しました。
「絶対空間」とは、物質の存在や運動によって変化することのない空間のことです。つまり、アリストテレスの「自然は真空を嫌悪する」という主張とは真逆の主張なのです。また「絶対時間」とは、宇宙のどこでも一定の速さで進んでいく時間のことです。ニュートン力学以降、もう空間や時間に関してはこれ以上の発展はないだろうと考えられていました。
高校物理で習うように、ニュートン力学は現代社会を支えている科学の基礎なので、「絶対空間」や「絶対時間」は私たちが直感的にイメージしやすい理論なのです。

アインシュタインの空間

20世紀に入りアルベルト・アインシュタイン(1879~1955)が特殊相対性理論(観測者や観測物の速度によって空間や時間は伸び縮みするという理論)を発表し、さらに1916年には一般相対性理論(物質の間に働く重力が空間や時間の伸び縮みによって伝わる)を発表しました。もう空間や時間に関してはこれ以上の発展はないだろうと考えられていたニュートンの理論がアインシュタインのこれらの理論によって覆されたのです。ちなみにニュートン力学はイメージしやすいですが、時間や空間が伸び縮みするというアインシュタインの理論は、私たちになじみがないと考える人も多いかもしれません。しかし、これらの理論はスマートフォンやカーナビのGPSという形で日常的に使われています。例えば人工衛星の速度で発生する時間のずれを特殊相対性理論で補正したり、地球の重力で発生する時間のずれを一般相対性理論で補正しているのです。

ウィッテンの空間

重力の働きによって空間や時間が伸び縮みすると主張したアインシュタインは、空間や時間の存在そのものまでは疑いませんでした。しかし、その後の物理学の発展により、その考え方に変更を迫られることになったのです。
アインシュタインが一般相対性理論(重力の理論)を発表してから10年後に、ミクロな世界の法則である量子力学が確立されると、一般相対性理論と量子力学の間には深刻な矛盾があることがわかりましたそこでこの矛盾を解決するために提案されたのが、一般相対性理論と量子力学を統合した超ひも理論なのです。超ひも理論では、物質をつくっているのは粒子ではなく、「ひも」であると考えます

エドワード・ウィッテン(1951~)の理論によると、「9次元の空間のⅡA型の超原理論」が結合定数(力の大きさ)を大きくしていくと「10次元空間の超重力理論」になってしまうのです。簡単にいうと、空間は温度と同じ二次的な概念なのです。例えば、私たちはふだんの生活で熱さや冷たさを測るために温度という尺度を使います。しかし、ミクロな世界では、個々の分子が決まった温度を持っているわけではなく、分子が高速で私たちに衝突することで、私たちは熱さとか冷たさを感じることができるのです。もし私たちが分子レベルで小さければ、私たちに衝突するものがないので、温度という概念がなくなるのです。つまり温度とは、本質的な概念ではなく、マクロな世界に住む私たちが感じる二次的な概念なのです。
空間の次元もこれらの例と同じで、超ひも理論ではある次元が、見方によっては異なる次元に変化するのです。したがって、空間は本質的な概念ではなく、二次的な概念だとされているのです。

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