宇宙の構造

第1部では、空間と時間に焦点を当てます。

第1章「現実への道」では、空間と時間の本質に関する問いが提起され、それらは本書の残りの部分で探求される。グリーンは、若い頃に出会ったアルベール・カミュの『シーシュポスの神話』を通して、知識の重要性を悟ったことを回想している。

第2章「宇宙とバケツ」では、「空間は人間の抽象概念なのか、それとも物理的な実体なのか？」という問いが投げかけられます。中心となる思考実験は、回転する水の入ったバケツです。これは、バケツが回転しているときに内部で感じる力が何によって生み出されるのかを考えさせるために考案されたものです。アイザック・ニュートン、ゴットフリート・ライプニッツ、エルンスト・マッハの考えが紹介されます。ニュートンは、バケツの中の水は絶対空間に対して相対的に動くと述べましたが、ライプニッツとマッハはこれに異議を唱えました。

第3章「相対性理論と絶対」では、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論を紹介し、「時空はアインシュタインの抽象概念なのか、それとも物理的な実体なのか？」という問いを投げかけます。

第4章「絡み合う空間」では、量子力学を紹介し、「量子宇宙において分離しているとはどういうことか？」という問いを投げかけます。グリーンは、スピン、二重スリット実験、ハイゼンベルクの不確定性原理を紹介します。また、アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンが提起したパラドックス、ジョン・ベルの定理、そしてアラン・アスペらによるその検証についても解説します。

第2部では、人類の時間感覚について考察します。

第5章「凍った川」では、「時間は流れるのか？」という問いが投げかけられる。グリーンは特殊相対性理論と同時性の相対性理論に立ち返り、すべてのものは同時に存在するため、時間は流れないという結論に至る。

第6章「偶然と矢」では、「時間には方向性があるのか​​？」という問いが投げかけられます。グリーンは、物理法則が時間的に順方向と逆方向で対称であるという事実、すなわち時間反転対称性を紹介します。この章の主要なテーマの一つは、ルートヴィヒ・ボルツマンのエントロピーの概念と熱力学第二法則です。

第7章「時間と量子」では、量子力学に戻ります。確率は量子力学に不可欠な要素であるため、この章の主要なテーマとなっています。二重スリット実験が改めて取り上げられ、ジョン・アーチボルド・ホイーラーの遅延選択実験やマーラン・スカリーの量子消去実験など、他の多くの実験も紹介されます。グリーンは測定問題を紹介し、最後にデコヒーレンスについて論じます。

第3部では宇宙論を扱います。

第8章「雪の結晶と時空」では、宇宙の歴史は対称性の歴史であると述べられている。グリーンは一般相対性理論に戻り、エドウィン・ハッブルによる膨張宇宙の発見について論じている。グリーンは、ビッグバンはエントロピーが最小の状態であるに違いないと主張する。

第9章「真空の蒸発」では、ヒッグス粒子が紹介される。グリーンは、ビッグバン直後の極めて重要な最初の数秒間に焦点を当てる。この時、宇宙の対称性の量が、対称性の破れと呼ばれる過程によって急激に変化したと考えられている。この章では、大統一理論も取り上げられ、エントロピーについても改めて考察される。

第10章「ビッグバンの解体」ではビッグバンに戻り、「何が爆発したのか？」という問いを投げかけます。その答えはアラン・グースのインフレーション宇宙論によって提供され、地平線問題と平坦性問題にも答えています。グリーンは、アインシュタインが膨張する宇宙を阻止するために一般相対性理論に導入した宇宙定数について論じています。宇宙定数はダークエネルギーの発見によって再び注目を集めています。もう一つの未解決の謎は、ダークマターの性質です。

第11章「ダイヤモンドが輝く空の量子」では、インフレーションと時間の矢というテーマが展開される。グリーンは、銀河などの構造の形成、現在見られる宇宙を生み出すのに必要なエネルギー量、そして時間の矢の起源という3つの主要な展開を取り上げる。

第4部では、一般相対性理論と量子力学の間の矛盾、そしてその解決方法について解説する。

第12章「弦上の世界」では、グリーンの専門分野である弦理論を紹介します。『優雅な宇宙』で述べられたアイデアが再検討され、読者は弦理論が一般相対性理論と量子力学の間のギャップをどのように埋めることができるかを学びます。

第13章「ブレーン上の宇宙」では、 M理論とその空間・時間への影響について解説します。この章の焦点は重力と余剰次元との関わりに移ります。章の終盤では、周期モデルについて簡潔に説明します。

第5部では、ここで述べた理論を検証するための取り組みと、それらの理論の推測的な応用について論じる。

第14章「天空と地上」では、フレームドラッギングや重力波といった一般相対性理論の予測を検証する取り組みを紹介する。グリーンはヒッグス理論と弦理論に再び触れ、それらを実験的に検証する方法を論じる。

第15章「テレポート装置とタイムマシン」では、異質な手段による時空旅行について論じている。量子テレポーテーションについてグリーンが論じる際に量子力学が再び登場するが、アントン・ツァイリンガーらの研究のおかげで、量子テレポーテーションはもはやSFではない。ワームホールを通じたタイムトラベルの可能性を考察するために、一般相対性理論が再び取り上げられる。グリーンは過去への旅行に伴って生じるパラドックスについて論じ、デイヴィッド・ドイッチュは、量子力学の多世界解釈によってそれらが解決できる可能性を示唆している。

第16章「暗示の未来」では、空間と時間の未来について論じている。時空はより深い何かから生じる可能性がある。また、空間と時間は本質的に原子的なものである可能性もある。グリーンはループ量子重力を紹介し、それが弦理論と共に単一の量子重力理論へと向かっている可能性を示唆している。