ついに発見？！“瞬間移動”を可能にする宇宙のメカニズム

皆さんは、「ワームホール」を聞いたことがありますか？現在、人類にとって宇宙はあまりに広く、私たちが“光の速度”で移動できたとしても、人が生きている間に隣の星にすら行くことができないと言われています。

そういった背景もあり、SF作品には空間を超越する“瞬間移動”がよく登場しますが、「ワームホール」とは瞬間移動を実現する場合に考え得る構造のことです。

端的に言えば、時空を繋ぐショートカットトンネルと言えるでしょう。今回、ある量子物理学者の研究によって、ついにワームホールが現実になる可能性が出てきました。早速その背景を見ていきましょう。

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、光速を超えた瞬間移動を実現する、いわゆる“瞬間移動”を可能にする手段です。

例えば、私たちが住むこの世界が、１光年×１光年の正方形だったとしましょう。向こう岸に行こうとすれば、光の速度でも丸1年かかってしまうことになります。

一方、この正方形の端と端を折り紙のように合わせて折りたたんだ場合ではどうでしょうか？折りたたんだことで出発地点とゴールが重なり、１光年あった距離を０にできてしまうのです。

この原理を私たちの暮らす時空で考えたものがワームホールです。私たちの暮らす時空は、日常生活で気付きませんが、実は折りたたまれて遠方の場所と隣り合っている可能性を否定できないのです。

このことは、とあるアメリカの物理学者が「ワームホール」、直訳すれば“虫食い穴“と名付けたのが始まりです。

命名の背景は、くだものに止まった虫がそのくだものの反対側へ行こうとした時、表面をなぞって移動するよりも、くだものの中を貫通する形で、食べながら突っ切って通った方が合理的で早く移動できるという例え話から来ています。

このワームホールは驚くべきことに、私たちの住む現実の世界でも実際に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アインシュタインによって２０世紀の初期に、一般相対性理論に対応する形で登場しました。

しかし、その頃アインシュタイン達が計算したモデルは、非常に不安定ですぐに壊れてしまうことから、中を通り抜けるということは不可能だと考えられてきました。

安定したワームホールを作るには？

それでは、どうしたらワームホールは安定するのでしょうか？そのためには、マイナスのエネルギーが必要になるといいます。

マイナスのエネルギーは古典物理学では否定されていますが、量子物理学の世界では存在が確認されています。

しかし、量子物理学は古典物理学では扱えないような非常にミクロな世界でのみ適用される理論であるため、マイナスのエネルギーが存在したとしても、それは非常に小さいものです。

今回の研究を発表したプリンストン高等研究所とプリンストン大学の両研究者は、このミクロな世界での効果もブラックホールでは巨大な磁気が作用することで、巨大化することに気が付きました。

この研究では、荷電したゼロ質量フェルミオン（電子のような粒子ですが質量は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、周囲が平らであれば粒子は円を描くように移動して閉ざされた空間を作り、ここで量子物理学上の効果が真空エネルギーに働きかけることでマイナスのエネルギーを保持できると主張されています。

ここで発生するマイナスのエネルギーの存在によって、安定したワームホールを維持させることができるため、現代では 当時アインシュタインが突破できなかった段階まで到達したと言えるかもしれません。

ワームホールの安全な通行は可能か？

ついにワームホールを安定させる方法が解明されたようですが、この方法で発生するマイナス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ないため、トンネルも非常に短い距離でしか結べません。

SF作品で見るような、スペースシャトルがそのまま入れるような、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、この問題を解決できる方法についても言及されています。

それは「ワープする宇宙」などの書籍で有名な物理学者、リサ・ランドールのモデルで、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しています。

宇宙を５次元時空としてみたときに、重力はその余剰次元から漏れ出てくる力であるため、非常に弱いのだと説明されています。

なお、この５次元時空は通常 私たちが探索するよりも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おり、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“質量のない空間“を付加できるのだといいます。

このためにはマイナスのエネルギーの発生が必要であるため、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について、研究者たちは「外から見た場合ブラックホールと見分けがつかない可能性があるが、必要な条件が揃えば中を通ることは可能である」と主張しています。

ワームホールの実用性は？

ワームホールが通過可能なことが主張されたところで、これは実際に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？

とある有名大学の研究者は、この問題について先行研究を元に次のように語っています。「安定したワームホールが実現したとしても、それ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」

一方、今回の研究の張本人たちは、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。

彼らによれば、一般相対性理論に従い光速で移動する人間は時間の拡張（時間の流れの遅延）を経験します。そのため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ほんの一瞬だと考えられるそうなのです。

ただし、ワームホールの外にいる私たちの目から見ると、“旅行者ら”がワームホールを通過するのにかかる時間は、なんと１万年以上にも見えるとのことです。

また、ワームホールの通過中は宇宙船を重力が加速させるため、一切燃料が必要ないというメリットも述べられています。

実用的かどうかは議論の余地がある現段階ですが、この研究で示されたワームホールには他に言及しておくべき欠点もあります。

まず、今回の研究で示された通過可能な大きさのワームホールは、自然に形成されるメカニズムが存在しないため、マイナスのエネルギーを活かして誰かが設計して作らなければなりません。

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自体が、想定通りに現実に存在している必要があります。

こう考えると、やはりワームホールを未来の移動手段にするためには、まだまだ非常に高い壁が立ちはだかっているようです。

参考 : universetoday, など