時間との戦いで彼は物理学を変えた

JA ウィーラーにとって、時間を説明することは自分自身との競争です。

アマンダ・ゲフター

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ポストカードには「急いでください」という二つの言葉しか書かれていませんでした。

33歳の物理学者ウィーラー氏が兄ジョーからポストカードを受け取ったとき、彼はワシントン州ハンフォードの原子炉で働いていた。その原子炉はロスアラモスにプルトニウムを運ぶ役割を担っていた。それは 1944 年の夏の終わりでした。ジョーは第二次世界大戦でイタリア戦線で戦いました。彼は兄が何をしようとしているのかを正確に知っていた。ウィーラーは、その5年前にデンマークの物理学者ニールス・ボーアが核分裂の物理学を解明したことを知っていた。核分裂とは、ウランや、後に発見されたプルトニウムなどの元素の不安定同位体が中性子の照射を受けると分裂し、想像を絶する量の原子力エネルギーを放出するプロセスである。そのエネルギーは都市を破壊し、戦争を終わらせるのに十分な量である。

はがきが届くと、ウィーラーはできるだけ早く作業を開始し、マンハッタン計画は翌年の夏に原子爆弾の製造を完了した。ニューメキシコ州のホルナダ・デル・ムエルト砂漠で、物理学者たちが人類史上初の核爆発を起こし、厚さ1,000フィートの砂をガラスに変えた。プロジェクトの責任者であるJ・ロバート・オッペンハイマー氏は、10マイル離れた安全なベースキャンプから見守りながら、ヒンズー教の聖典『バガヴァッド・ギーター』から「今、私は死、世界の破壊者となった」と静かに引用した。ハンフォードでは、ウィーラーは別のことを考えていた。「遅すぎないことを願う」。彼はまだ知らなかったが、ジョーはフローレンス近郊の丘の中腹にある地下壕で死んでいた。

ウィーラーさんはその知らせを聞いて倒れてしまった。彼は回想録の中で、自らを責めている。「もし原爆計画が1年前に開始され、1年前に終了していたら、1500万人の命が救われたかもしれないという結論から逃れることはできない。私の弟ジョーもその一人だ。もし私が努力していれば、意思決定者たちに影響を与えることができたかもしれない。」

時間。物理学者として、ウィーラーは常にその神秘的な次元の性質を解明することに興味を抱いていた。しかし今、ジョーの死により、それはプライベートな問題となった。

ウィーラーは残りの人生を時間との戦いに費やしたのかもしれない。いつも手元にある彼の日記（現在はフィラデルフィアのアメリカ哲学協会図書館のアーカイブに未公開で保管されている）は、自分の差し迫った死を常に意識し、ただ一つの疑問に答えるのではなく、「なぜ存在が存在するのか」という疑問に答えるために時間との競争に巻き込まれた強迫観念的な思想家の驚くべき肖像を明らかにしている。

「存在を完全に理解する上でのあらゆる障害の中で、『時間』という言葉ほど苛立たしいものはない」とウィーラーは書いている。「時間を説明する？存在を説明しない限りは。存在を説明する？時間を説明しない限りは。」

時が経つにつれ、ウィーラーの日記の記述はより頻繁かつ緊急なものとなり、文章はより不規則になっていった。あるエントリーで彼はデンマークの科学者であり詩人のピート・ハイン[1]の言葉を引用している。

「本当に知りたいのは

この劇全体

公演前

それは何についてですか?

ウィーラーは、その幕が下りる前に、それ以前やそれ以降のどの思想家よりも根本的に私たちの時間に対する認識を変えた。それは兄の思い出によって動かされた変化であり、後悔によって動かされた革命であった。

時間神話

ウィーラーが生まれる6年前の1905年に、アインシュタインは特殊相対性理論を提唱しました。彼は、時間はあらゆる場所、あらゆる人にとって一定の速度で流れるわけではないことを発見しました。代わりに、それは観察者の動きに依存します。速く動けば動くほど、時間はゆっくり流れます。もし光と同じ速さで動けたら、時間が止まって消えていくのが見えるでしょう。

しかし、アインシュタインの発見から数年後、量子力学の形式主義により物理学者は時間について反対の結論を導きました。量子システムは波動関数と呼ばれる数学によって記述され、測定時にシステムが特定の状態になる確率をエンコードします。波動関数は静的なものではなく、時間の経過とともに変化し、進化します。言い換えれば、時間は量子システムの外側、つまり一秒ずつ刻々と進む外部時計として定義され、アインシュタインに直接挑戦することになります。

1930 年代にホイーラーが初めて物理学の世界に足を踏み入れたときの状況はまさにこれでした。2 つの理論が対立し、時間の性質が未解決でした。プリンストン大学で学問のキャリアを始めた頃、ウィーラーは物腰柔らかで礼儀正しく、きちんとアイロンのかかったスーツとネクタイを身につけていた。しかし、彼の保守的な態度の背後には、恐れ知らずの急進的な考え方が隠れている。ウィーラーは図書館員の家庭で育ち、読書家であった。一般相対性理論と量子力学の難問に取り組む中で、彼はアインシュタインやボーアだけでなく、ヘンリー・ジェイムズの小説[2]やスペインの作家アントニオ・マチャドの詩[3]も参考にした。彼は旅行のとき、いつもスーツケースに類語辞典を入れて持ち歩いていた。

ウィーラーが初めて時間は見た目とは違うことに気づいたのは、1940 年春のある晩、プリンストン大学にいた時だった。彼は陽電子について考えていた。陽電子は電子の別人格であり、反粒子です。同じ質量、同じスピン、等しく反対の電荷を持ちます。しかし、なぜそのようなネガティブな性格が存在するのでしょうか?ひらめきを得たウィーラーは、生徒のリチャード・ファインマンに電話をかけ、「それらは同じ粒子だ！」と言った。

ウィーラー氏は、想像してみてほしい、宇宙全体に電子がたった一つしかなく、それが時空を曲がりくねって進んでおり、その軌道は非常に複雑なので、一つの粒子であるにもかかわらず、陽電子を含めて無数の粒子があるかのような錯覚を与える、と述べた。ウィーラーは、陽電子は単に時間を逆方向に移動する電子であると主張した（温厚な性格のファインマンは、1965年のノーベル物理学賞受賞スピーチで、このアイデアはウィーラーから盗んだものだと語った）。

1940年代にマンハッタン計画に参加した後、ウィーラーはプリンストン大学に戻って理論物理学の研究をしたいと考えていた。しかし、彼の帰りの便は遅れた。 1950年、弟を救出するために素早く行動できなかったという後悔がまだ残っていた彼は、ロスアラモスの物理学者エドワード・テラーと協力して、原子爆弾よりも恐ろしい兵器、水素爆弾の開発に取り組みました。 1952年11月1日、ウィーラーは太平洋のエルゲラブ島から35マイル離れた場所でSSカーティス号に乗り込んだ。彼は広島を破壊した原子爆弾の700倍の威力を持つ水素爆弾の爆発を目撃した。実験後、エルゲラブ島も破壊されました。

ロスアラモスでの研究の後、ウィーラーは「一般相対性理論と重力に夢中になった」。プリンストンに戻り、アインシュタインの自宅の向かいで、彼は黒板を使ってこのテーマに関する最初の講義を行った。一般相対性理論は、質量が時空をどのようにして重力と呼ばれる奇妙な幾何学に歪めるかを説明しています。ウィーラーは、これらの形状がどれほど奇妙になるのか疑問に思いました。この理論を極限まで推し進めるうちに、彼は時間をひっくり返すような何かに魅了されていった。それはアインシュタイン・ローゼン橋と呼ばれています。それは宇宙を通る近道を作り、空間と時間の離れた地点を結びつけるトンネルです。人々は一方の端から入り、もう一方の端から出ることができ、超光速で移動したり、時間を移動したりすることができます。言語愛好家であったウィーラーは、難解な数学に名前を付けることで命を吹き込むことができることを知っていました。 1957 年に、彼はこの歪んだ時空部分に「ワームホール」という名前を付けました。

実存的混乱：ウィーラーは「私はノックする、ゆえに私は存在する」と書いた[4] |画像出典: Corbis Images

彼がさらに時空を進むと、別の重力異常に遭遇した。そこでは質量が非常に密集し、重力が無限に強くなり、空間と時間が無限に乱されていた。今回も彼はそれに「ブラックホール」という名前を付けました。ここでは、「時間」はまるで最初から存在しなかったかのように、すべての意味を失います。「すべてのブラックホールは世界の終わりをもたらす」とウィーラー氏は書いている。

量子宇宙

1960年代、ベトナム戦争がアメリカ文化の構造を引き裂いたとき、ホイーラーは一般相対性理論と量子力学の間の物理学の亀裂、つまり時間の亀裂を修復しようと取り組んでいました。 1965 年のある日、ウィーラーはノースカロライナ州で乗り継ぎをしており、同僚のブライス・デウィットに空港で数時間一緒にいてくれるよう頼みました。ターミナルホールで、ウィーラーとデウィットは波動関数の方程式を書き記した。ウィーラーはこれをアインシュタイン-シュレーディンガー方程式と呼び、後に他の人々はこれをウィーラー-デウィット方程式と呼んだ。（デウィットは最終的にそれを「あの忌々しい方程式」と呼んだ。）

ウィーラーとデウィットの波動関数は、実験室で動き回る粒子のシステムではなく、宇宙全体を記述しました。唯一の問題は、どこに時間を費やすかということです。定義上、宇宙は非常に大きく、その外側は存在しないため、それらを宇宙の外側に置くことはできません。したがって、彼らの方程式は相対性理論と量子論の長所をうまく組み合わせたが、同時に進化できない宇宙、つまり時間のない瞬間に閉じ込められた凍りついた宇宙を記述した。

ウィーラー氏のワームホールに関する研究は、電子や陽電子と同様に、人間にも時間の矢を曲げたり折ったりする能力があるかもしれないことをすでに示唆していた。同時に、ブラックホールの物理学に関する研究を通じて、彼は心の奥底で時間の存在について疑問を抱くようになった。今、ローリー国際空港にいるウィーラーは、その非難すべき方程式に悩まされていると感じている。時間は現実の基本的な要素ではないはずだ、と。アインシュタインが言ったように、これは頑固な幻想であり、内部だけを持つ宇宙に私たちが閉じ込められている結果であるに違いありません。

ウィーラーは、存在と時間の謎を解く中心的な手がかりは量子測定であると確信していた。彼は、量子論の深い不思議さは、観察者が測定を行うとき、すでに世界に存在するものを測定しているわけではないという事実にあることを発見しました。ところが、彼の測定によってどういうわけかそれが真実であることが証明された。二重スリットとして知られる魅惑的な実験が何度も実証してきたという事実を除けば、正気な人なら誰も信じないであろう奇妙な事実である。それは常にウィーラーの心の中に残っていた。

実験では、レーザーが2つの平行スリットのあるスクリーンに単一光子を送り、それが反対側の感光板に落ちて光の点を残します。各光子がどちらかのスリットを通過する確率は 50% なので、このような実験を何度も繰り返すと、写真乾板上に 2 つの大きな光点が見えるようになります。1 つはスリット A を通過した光子の蓄積を示し、もう 1 つはスリット B を通過したが見られなかった光子を示します。代わりに、目に見えるのは一連の白と黒の縞、つまり干渉パターンです。「この実際の実験を見ると、量子の振る舞いが生き生きと感じられる」とウィーラー氏は書いている。「概念的には単純であるにもかかわらず、量子論の不可解な奇妙さを驚くほど実証している。」

信じられないかもしれませんが、この干渉パターンはただ一つのことしか意味しません。つまり、各光子が両方のスリットを同時に通過するということです。光子がスクリーンに当たると、それは量子波動関数によって記述されます。スクリーンに到達すると、波動関数は 2 つの部分に分割されます。同じ光子の 2 つのバージョンが各スリットを通過し、反対側から出てくるときに、それらの波動関数が再結合します。ただし、今度は一部の位相がずれています。波が一致すると光が増幅され、写真乾板上に明るい縞模様が現れます。同期していない部分では、光が互いに打ち消し合い、暗い筋が残ります。

しかし、スリットを通過する光子を捉えようとすると、事態はさらに奇妙になります。各スリットの後ろに検出器を配置し、光子が次々に来る状態で再度実験を実行します。光の点が一つずつ現れ、パターンが浮かび上がりました。ストライプではありません。写真乾板には 2 つの大きな光点があり、それぞれがスリットに対応しています。各光子は一度に 1 つの経路のみを進みます。まるで監視されていることを知っているかのようでした。

もちろん、光子は何も知りません。しかし、システムのどの特性を測定するかを選択することで、システムの状態を決定します。光子がどちらの経路を取るかを尋ねなければ、両方の経路を取ることになります。私たちの質問が道を切り開きます。

ウィーラー氏は、同じアイデアを拡大できるかどうか疑問に思った。存在の起源、ビッグバン、そして宇宙を創ったかもしれない138億年の宇宙の歴史について質問することはできるでしょうか？「量子原理は巨大な氷山の一角であり、世界のへその緒だ」とウィーラーは1974年6月27日の日記に書き記した。「過去、現在、未来は我々が認識している以上に密接に結びついているのだ。」

ウィーラーは日記の中で、「宇宙」を表す大文字の U を描きました (下図参照)。左上には巨大な目があり、文字の深淵を覗き込み、右端、つまり時間の起源を見つめていました。右から左への U 字型の急降下をたどると、時間が進み、宇宙が拡大します。星は形成され、そして死に、炭素の灰を宇宙の虚空に噴出します。空のどこかで、炭素が岩石惑星に落下し、原始的な粘液に融合し、それが成長して進化し、ついには目が生まれました。宇宙は観測者を創造し、そして今、量子測定を通じて、観測者は宇宙を振り返り、宇宙を創造しています。ウィーラー氏はその絵の下に「宇宙は自己励起システムである」というキャプションを走り書きした。

ウィーラーの U 文字: 左上の巨大な目が右上の文字の深淵を見つめています - 時間の起源。丨インターネットからの画像

ウィーラーは、この絵の問題点は、それが私たちの時間に関する最も基本的な理解と矛盾していることだ、とわかっていた。電子が急速に時間を遡ることと、ワームホールが時間の矢を迂回することは同じことだ。創造と因果関係についての議論は全く別の問題です。過去が現在に流れ込み、そして現在が逆流して過去に影響を与えるのでしょうか?

「これらの問題は、どんな犠牲を払ってでも解決しなければならない」とウィーラーは日記に書いた。「人類に対して、生きている人々と亡くなった人々に対して、妻のジャネットと子供たちと孫たちに対して、亡くなった子供に対して、ジョーに対して、私の義務を果たせるよう努力できる場所は他にはない。」彼はデイリー・テレグラフ紙の切り抜きを日記に貼り付けた。キャプションには「日が短くなってきた」と書かれていた。

遅延選択

1979 年、ホイーラーはメリーランド大学で講演を行い、時間に関する彼の考えを最も顕著に応用した大胆な新しい思考実験、遅延選択実験を提案しました。

ウィーラーは、光子がスクリーンを通過した後に通常の二重スリット実験を設定して、観察者が縞模様を見るか斑点を見るかを決めることができる、つまり、光子が二重スリットスクリーンを通過した後に少し現実を作り出すことができる、ということを認識しました。最後の瞬間に、彼は写真乾板を取り外すことを選択し、2 つの小さな望遠鏡を露出させました。1 つは左のスリットに向けられ、もう 1 つは右のスリットに向けられました。望遠鏡は光子がどのスリットを通過したかを知ることができます。しかし、観察者がプレートをそのままにしておくと、干渉パターンが形成されます。観察者の遅延選択によって、光子が 1 つの経路を取るか 2 つの経路を取るかが決定されます。これは、光子がどちらかの経路を取ることができた後のことです。

ウィーラーにとって、これは単なる好奇心ではなく、宇宙の存在の手がかりでもあった。これこそが彼が必要としていたU字型のメカニズムであり、時間の法則を曲げることで、138億年前にビッグバンで創造された宇宙を、今まさに私たちによって創造することを可能にするものだった。

これを確かめるには、遅延選択実験の規模を拡大するだけでよいとウィーラー氏は言う。 10億光年離れたクエーサーから地球に向かって光が伝わってくる様子を想像してみてください。クエーサーと地球の間には巨大な銀河があり、その重力場がレンズのように働き、光の進路を変えます。光は銀河の周りを曲がり、等確率で左と右に進みます。思考実験の目的で、一度に地球に到達する光子は 1 つだけだと想像してください。ここでもまた、私たちは同じような選択に直面します。光が到達する地点の中心に写真乾板を置いて、干渉パターンが徐々に現れるようにするか、あるいは望遠鏡を銀河の左か右に向けて光の進路を観察するかです。私たちの選択によって、光子が相互に排他的な 2 つの履歴のいずれかに存在することが決まります。現時点では、光子の旅が 10 億年前に始まったにもかかわらず、私たちは光子の進路を最初から最後まで決定しています。

聴衆の中には、キャロル・アリーという名の物理学者が熱心に聞いていた。エイブリーはプリンストン大学で物理学者ロバート・ヘンリー・ディッケに師事していた頃、すでにウィーラーを知っていた。ディッケの研究グループは、月に鏡を設置するというアイデアを考案していた。

ディッケ氏と彼のチームは、地球と月の間の微妙な重力相互作用を観測することで一般相対性理論を研究することに興味を持っています。そのためには、月が軌道上を動くときに両者の距離を非常に正確に測定する必要があります。彼らは、月面に鏡を設置できればレーザーを反射させて光の帰還時間を計算できると気づいた。エイブリーはNASAプロジェクトの主任研究員となり、月に3つの鏡を設置した。最初の鏡は1969年にニール・アームストロングによって設置された。

アリー氏はウィーラー氏の講演を聞いているうちに、月で反射するレーザー光を測定するのと同じ技術を使って、ウィーラー氏のアイデアを研究室で実現できるのではないかと考えた。月の鏡から戻ってくる光信号は非常に弱いため、エイブリー氏と彼のチームは、ホイーラー遅延選択装置に必要な、個々の光子を測定する高度な方法を開発した。

1984年、アイリーは、同じく観客だったオレグ・ヤクボヴィッツとウィリアム・ウィックスとともに、ついに実験を完了した。ウィーラーが想像したように、現在の測定によって過去を創造することができます。かつて私たちが考えていたような時間は存在しない。過去は未来によって完全に消滅するわけではない。ウィーラーは、歴史、つまり罪悪感を醸成するような歴史、地下壕に潜むような歴史は、そのままではあり得ないことを発見した。

それでも、ウィーラーは根本的な洞察を見つけられなかった。彼は、量子測定によって現在の観測者が過去を創造し、宇宙が自ら存在するようになる可能性があることを知っていた。しかし、量子測定はどのように行われるのでしょうか?時間が原始的なものではないのなら、なぜ止まらないのでしょうか?ウィーラーの日記は、自分自身に何度も書き送られたポストカードとなった。急いで。存在の謎が彼を悩ませた。「もしそのパズルに取り組み続けなかったら、私は『私』ではなかっただろう」と彼は書いた。「やめたら、私は縮んだ老人になってしまう。続けていくことで、私は生き生きと生きられるようになる。」

1988年、ウィーラーの健康状態が悪化し始めた。彼は2年前に心臓手術を受けていた。医者は彼に期限を与えた。医師は彼にあと3年から5年は生きられるだろうと告げた。死の脅威にさらされたウィーラーは、弟を救えなかった自分の失敗を償うために、存在の謎を解くことができないのではないかと恐れ、落ち込んでいく。彼は日記の「謝罪」という見出しの下にこう書いている。「こうした考えを発展させるには何年もかかるだろう。76歳の私にはまだ思い浮かばない。」

幸いなことに、彼ら以前の科学者たちと同様、医師たちは時間の性質を誤解していた。量子力学の謎と時間の奇妙なループを解明するために休みなく研究を続けるウィーラーの目には、まだ輝きが残っていた。「量子の栄光の裏には恥がある」と彼は1999年6月11日に書いた。「なぜ恥じる必要があるのか？量子がどこから来るのかを我々はまだ理解していないからだ。量子は自ら創造した宇宙のしるしなのか？」彼はその年の後半に書いた。「存在は何のためにあるのか？量子はどこから来たのか？死はそのような疑問を抱いた罰なのか…」

ウィーラーの日記には孤独な探求に奮闘する男の姿が記されているが、彼の影響力は広範囲に及んだ。その後、ベルギーのルーヴェン大学理論物理学研究所のスティーブン・ホーキングと共同研究者のトーマス・ヘルトグは、ウィーラーの遅延選択の直接の子孫であるトップダウン宇宙論として知られるアプローチを開発していた。ホーキング博士とヘルトグ博士は、遠く離れたクエーサーからの光子が誰にも観測されずに同時に複数の経路をたどるのと同じように、宇宙にも複数の歴史があると信じていた。観測者が測定を行うことで数十億年前の光子の履歴を判断できるのと同様に、宇宙の歴史は観測者が測定を行ったときにのみ現実のものとなります。量子力学の法則を宇宙全体に適用することで、ホーキング博士は、ノースカロライナの空港でその日ホイーラー博士が灯したトーチを掲げ、その過程で時間に関する私たちのあらゆる直感に挑戦した。トップダウンのアプローチは「宇宙と因果関係についての根本的に異なる見方につながる」とホーキングは書いている。ウィーラーが最後の仕上げを加えるときに常に求めていたのは、彼が創造した宇宙でした。

2003年、ウィーラーは依然として存在の意味を探し求めていた。「私の想像する限りでは、『存在がどのようにして生まれたのか』について、これほど合理的に話すことは不可能です！」彼は日記に書いた。「残り時間は短いです！」

2008年4月13日、ニュージャージー州ハイツタウンで、96歳のウィーラーさんはついに時間との競争、つまりその頑固で執拗な幻想に負けた。

注記

[1] 原文：「この番組が一体何なのか、放送される前に知りたい。」

[2] ヘンリー・ジェイムズ（1843-1916）はイギリス系アメリカ人の小説家、文芸評論家、劇作家、エッセイストであった。

[3] アントニオ・マチャド（1875-1939）：有名なスペインの詩人。

[4] 翻訳注：原文は「私はそのナットをハンマーで打ち続けない限り、私は『私』ではない」であり、文字通りには「私がそのナットをハンマーで打ち続けない限り、私は『私』ではない」という意味です。

イラスト: WESLEY ALLSBROOK

この記事の元のタイトルは「兄に悩まされ、物理学に革命を起こした」です。
https://nautil.us/haunted-by-his-brother-he-revolutionized-physics-234736)

この記事の著者、アマンダ・ゲフターはウィーラーの娘です。 2014年、彼女は父ジョン・ウィーラーについての回想録『Trespassing on Einstein's Lawn: A Father, a Daughter, the Meaning of Nothing, and the Beginning of Everything』を出版した。