宇宙には「公序良俗」を取り締まる存在がいる…？ 「宇宙検閲官仮説」という“魅惑的な仮説”が生まれた背景に迫る

宇宙中有处理“公序良俗”的存在…？“宇宙检阅官假说”这一魅惑性的假说诞生的背景



「宇宙検閲官仮説」
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なんとも不可思議で魅惑的な響きです。この文字の並びを見ているだけで、つぎつぎと疑問が湧いてきます。
宇宙を検閲する？ 誰が？ 何を？ いったいどうやって？
なぜ宇宙に「検閲官」がいるなんていう、いっけん突飛に見える仮説が提示されたのか。ここではその背景を、大阪工業大学教授の真貝寿明さんがわかりやすくご説明します。

“宇宙检查官假设”
这个名字听起来有点不可思议又迷人。只是看着这个文字的排列，就会不断产生疑问。
检阅宇宙？是谁？做什么？到底怎么做？
为什么宇宙中有“审查官”，提出了一个看起来很奇怪的假说呢。在这里，大阪工业大学教授真贝寿明将简单易懂地说明其背景。

「特異点」とは何か？
「宇宙検閲官」という不思議なタイトルにひかれて、このページを開かれた方も多いと思います。ご存じのように検閲官とは、公序良俗を乱すような「不適切な表現」が、公衆の目にふれないように取り締まる役人のことですが、宇宙にもそのようなものが存在している(に違いない)という考えが「宇宙検閲官仮説」です。提唱したのは、2020年にノーベル物理学賞を受賞したロジャー・ペンローズ(1931～)です。
では宇宙検閲官は、宇宙でいったい何を取り締まっているのでしょうか。それは「特異点」です。特異点とは、あらゆる物理法則が破綻をきたしてしまう「無限大」を導く点です。物理的には「あってはならない」不適切な場所なのです。

“特异点”是什么？
我想估计有很多人是被“宇宙检阅官”这个不可思议的标题所吸引，打开这个页面的。众所周知，所谓审查官，是指为了不让公众看到扰乱公序良俗的“不恰当的表现”而进行处理的官员，认为宇宙中也存在着这样的东西（肯定）的想法就是“宇宙审查官假说”。提出这一想法的是在2020年获得诺贝尔物理学奖的罗杰·彭罗斯（1931～）。
那么太空检阅官，在太空到底处理什么东西呢？就是“特异点”。所谓特异点，就是所有物理法则出现破绽，导致产生“无限大”的点。在物理上是“不应该存在的”、不合适的地方。

ペンローズは1960年代に、「特異点定理」を発表しました。それによって、ブラックホールのように重力で崩壊していく物質(星)の内部では、特異点が自然に出現することが証明されてしまいました。
それでも特異点がブラックホールの内側に隠されていれば、宇宙の「公序良俗」を乱すほど不適切な存在とはならないのですが、問題は、特異点にはどうやらブラックホールという“服”を着ていないものもあるらしいことです。何も身にまとっていない特異点が存在すると、物理法則は宇宙について予測することが不可能になってしまい、たいへん困ります。
このような厄介な特異点を、ペンローズは「裸の特異点」と名づけました。そして、宇宙には、物理法則が予測不能となる事態に陥るのを避けるため、あたかも検閲官のように裸の特異点を取り締まってくれる存在がいるはずだと、願望をこめて想定したのです。これが宇宙検閲官仮説です。

彭罗斯在20世纪60年代发表了《奇异点定理》。据其内容，证明了在像黑洞一样因重力而崩溃的物质（星）内部，会自然出现特异点。
所以只要特异点被隐藏在黑洞的内侧，就不会成为扰乱宇宙的“公序良俗”那样不合适的存在，但问题是，特殊点有时候似乎不一定穿黑洞这个“衣服”。如果存在我们都不认得的特异点的话，就无法在宇宙观测物理法则了，会非常为难。
彭罗斯把这种棘手的特异点命名为“裸体特异点”。而且，在宇宙中，为了避免陷入物理法则无法预测的事态，应该有像检阅官一样处理裸体的特异点的存在。这就是太空检阅官假说。

一般相対性理論との関わり
しかし現在もなお、宇宙検閲官仮説は仮説にすぎません。はたして、宇宙には本当に検閲官がいて、物理法則が破綻しないように特異点から守ってくれているのか、いまだにわからないのです。本書は、悩める物理学者たちと特異点との攻防を、最新研究の現状も含めて紹介していくものです。
特異点が生じるかどうかを分けるのは、一般相対性理論という物理理論です。これは1915年にアインシュタインが発表した重力についての理論で、「質量があると時空が歪み、歪んだ時空が重力の源である」と説明するものです。一般相対性理論からは、ブラックホールの存在、宇宙の膨張、そして重力波の存在が予言されています。

与一般相对论的关系
但是现在，宇宙检查官假说也只是假说。到底宇宙真的有审查官，为了不破坏物理法则，用特异点保护着我们，现在人类还无从知晓。本书介绍了烦恼的物理学家们和特异点的攻防，包括最新研究的现状。
区分特异点是否产生的是广义相对论这一物理理论。这是1915年爱因斯坦发表的关于重力的理论，其说明了“有质量的话时空会变形，扭曲的时空是重力的来源”。一般相对论预言黑洞的存在、宇宙的膨胀以及引力波的存在。

ここ数年、一般相対性理論に関わるニュースをよく耳にするようになりました。2016年2月には、アメリカのLIGO(ライゴ)とヨーロッパのVirgo(ヴィルゴ)の両研究グループが「重力波を初めて観測することに成功した」と発表しました。重力波は時空の歪みが光速で伝わる現象です。
その発表は、14億光年先にあった連星ブラックホール(質量はそれぞれ太陽質量の35・6倍と30・6倍)が合体したことで、太陽質量の3・1倍のエネルギーが放出され、10のマイナス21乗という振幅で(太陽―地球間の距離に対して水素原子1個分にあたる小ささ)、0・2秒間の信号として重力波がとらえられた、というものでした。その後も重力波の観測は次々と報告され、日本のKAGRA(かぐら)グループも共同観測に加わって、これまでに90例が報告されています。

最近几年，我经常听到有关一般相对论的新闻。2016年2月，美国LIGO和欧洲Virgo两个研究小组宣布“首次成功观测到引力波”。引力波是时空扭曲以光速传播的现象。
其发表的是由于14亿光年前的连星黑洞（质量分别为太阳质量的35.6倍和30.6倍）合体，释放出太阳质量的3.1倍的能量，以10的负21次方的振幅（相对于太阳-地球间的距离相当于1个氢原子的小），0.2秒的信号捕捉到引力波。此后，引力波的观测也相继被报告，日本的KAGRA小组也加入了共同观测，到现在为止报告了90例。

また、2019年4月には、日本の国立天文台を含む国際プロジェクトEHT(イベント・ホライズン・テレスコープ)が、「ブラックホールそのものの直接撮像に成功した」と発表しました。撮影されたのは、地球から5500万光年離れたおとめ座の楕円銀河M87の中心にある巨大ブラックホール(太陽質量の65億倍)でした。黒い穴をとり囲む明るいドーナツの輪の写真をご記憶の方も多いことでしょう。
ブラックホールの見かけの「穴」の大きさは、わずか1億分の1度(テニスボールを月面に置いたときの見込み角)で、この分解能を得るために北米・南米・欧州・南極の電波望遠鏡を同時にこのブラックホールに5日間向け、すべての望遠鏡のデータを集めて1つの大きな望遠鏡として計算しなおすデータ解析に2年を費やして得られた画像でした。EHTグループは2022年5月には、私たちの天の川銀河の中心にある巨大ブラックホール(太陽質量の400万倍)の写真も公開しました。

另外，在2019年4月，包括日本国立天文台在内的国际项目EHT宣布，“黑洞本身的直接拍摄成功”。拍摄的是距离地球5500万光年的处女座椭圆银河M87中心的巨大黑洞（太阳质量的65亿倍）。很多人记得围绕着黑洞的明亮甜甜圈圈的照片吧。
黑洞的外观“洞”的大小仅为1亿分之一度（类似将网球放置在月球表面），为了获得较好的分辨率，北美、南美、欧洲、南极的电波望远镜同时面向该黑洞5天收集所有望远镜的数据，作为一个大望远镜重新计算的数据分析花费了2年得到的图像。EHT集团在2022年5月还公布了位于我们银河中心的巨大黑洞（太阳质量的400万倍）的照片。

ほかにも、2020年4月には、東京大学・理化学研究所の香取秀俊さんのグループが、「東京スカイツリーの高さ450メートルの展望台では地上よりも時計が速く進む」という重力赤方偏移を観測したことを発表しました。
原子時計よりも3桁精度がよい(300億年で1秒程度しか狂わない正確さの)光格子(ひかりこうし)時計を発明した香取さんらは、地上と展望台での時間の進み方のわずかな違いを検出したのです。これは、一般相対性理論の出発点となる等価原理を、身近なスケールで検証できるようになったことを意味します。
このように相対性理論に関するニュースが相次いでいるのは、近年、精密な測定技術が開発されてきたことで、アインシュタインが100年以上も前に提案した理論がようやく実験や観測の直接的な対象となってきたことのあらわれです。

另外，2020年4月，东京大学理化学研究所的香取秀俊小组发表了观测到“在东京天空树高450米的展望台上，时钟比地上走得快”的重力红移。
发明了比原子钟精度高3位数（300亿年只疯狂1秒左右的准确度）的光栅时钟的香取等人，检测出了地面和展望台的时间前进方法的微小差异。这意味着，我们可以在身边的尺度上验证一般相对论原理。
像这样关于相对论的新闻相继出现，近年来，随着精密测量技术的开发，爱因斯坦在100多年前提出的理论终于成为了实验和观测的直接对象。

ブラックホールの内側の特異点
しかし一方で一般相対性理論は、いまも理論物理学者を悩ませる厄介な問題を抱えています。それが、特異点の存在です。
ブラックホールは一般相対性理論が予言した天体です。一般相対性理論の根幹をなすアインシュタイン方程式の解は、ブラックホールの内側に特異点が存在することを示しています。
また、一般相対性理論は宇宙が膨張することも予言しました。遠方の宇宙を観測すると、たしかに宇宙は膨張していて、138億年前にビッグバンと呼ばれる高温高圧の状態で生まれたことが確認できます。ビッグバンの直前にはインフレーションと呼ばれる急激な時空の膨張があったともいわれています。

黑洞内侧的特异点
但是另一方面，一般相对论至今仍存在困扰理论物理学家的麻烦问题。那就是特异点的存在。
黑洞是一般相对论预言的天体。作为一般相对论基础的爱因斯坦方程式的解，表明了黑洞内侧存在特异点。
另外，一般相对论也预言了宇宙会膨胀。观测远方的宇宙，确实发现宇宙在膨胀着，也确认了138亿年前在被称为大爆炸的高温高压的状态下诞生了宇宙。据说在大爆炸之前有被称为宇宙暴胀（inflation）的急剧的时空膨胀。

しかし、それより前には何があったのか、宇宙誕生の瞬間はどうなっていたのか、といった問題は未解決のままです。それは、アインシュタイン方程式を解くと、膨張宇宙のはじまりが特異点となってしまうために、それ以上の議論ができないからです。
このように一般相対性理論は、特異点の存在を予言する理論です。いわば、みずから破綻してしまうような理論になっているのです。
ただし、アインシュタイン方程式はとても複雑な微分方程式なので、ブラックホールの解も膨張宇宙の解も、時空に対称性があることや、簡単な物質でみたされているといった、状況を簡単にするための仮定をしたうえで解かれています。ですから、もっと複雑な現実の宇宙には特異点は存在しないのではないかと、そこに救いを求めた理論物理学者もいました。
しかし、その願いは、ペンローズとホーキングによってあえなく打ち砕かれてしまいました。「特異点は(時空の対称性などの仮定によらず)一般的に存在する」ことが、特異点定理によって数学的に証明されてしまったのです。

但是，在那之前发生了什么，宇宙诞生的瞬间是怎样的，这样的问题还没有解决。那是因为，如果解开爱因斯坦方程式，膨胀宇宙的开始就会成为特异点，所以不能进行更多的讨论。
这就导致了：一般相对论是预言奇异点存在的理论，但同时也是一种自我打破的理论。
因为爱因斯坦方程式是非常复杂的微分方程式，所以黑洞的解和膨胀宇宙的解，都是在假设了时空中具有对称性、或者是简单的物质也能满足、以及进行了简单情况下的假设之后，才被解出来的。因此，在更复杂的现实宇宙中不存在特异点，也有一些理论物理学家是这么解释的，以此来寻求拯救。
但是，这一想法被彭罗斯和霍金打碎了。“特异点（不依赖时空对称性等假设）是一般存在的”，这是由特异点定理在数学上证明的。

特異点定理はかなり一般的で、手堅い定理でした。物理学者は、特異点によって物理法則が破綻してしまうことをどう考えればよいのかを、真剣に模索しなければならなくなりました。
そこで、物理法則を窮地に陥れたペンローズ自身が提案したのが「宇宙検閲官仮説」です。それは、「特異点が発生してもブラックホールの中に閉じ込められているから心配しなくてもよいだろう」とする仮説です。ブラックホールなしに「裸の特異点」が出現すると、それは自然界の検閲に引っかかって隠されるはずだ、というわけです。
しかしこれは、あくまでも希望的推測です。「臭いものにはフタをする」感がぬぐえません。これで本当に一般相対性理論は、そして物理学は大丈夫なのか、ご一緒にみていきましょう。

奇异点定理相当普遍，很硬的定理。物理学家必须认真地探索，由于特异点导致物理法则破裂了的事应该如何应对。
因此，陷入物理法则困境的彭罗斯自己提出的是“宇宙检阅官假说”。这是“即使发生了特异点也会被关在黑洞里，所以不用担心”的假说。在没有黑洞的情况下出现“裸体的特异点”的话，应该会被自然界的检查所吸引而藏起来。
但是这始终是希望的推测。总感觉是在刻意“掩盖丑闻”。这样的话，广义相对论，还有物理学真的没问题吗？让我们一起拭目以待吧。

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