Takahide Kiuchi 1 45 1 0 02 4 04 02 0 2002 12 14 10 ビッグバン以前を解明した 「インフレーション理論」 木内 本日は、宇宙創成に関する 理論などでご高名であるととも に、自然科学研究機構の機構長と して、自然科学全体の指導的役割 も担われている佐藤勝彦先生に、 宇宙の始まりや科学研究の課題な どについて、お話をお聞きしたい と思います。 佐藤先生は、一九八一年に、宇 宙創成理論として一般的な「ビッ グバン理論」（注 ）では説明でき ない、ビッグバン発生以前の宇宙 創成メカニズムを解き明かす「指 数関数的膨張モデル」 、後に「イ ンフレーション理論」と呼ばれる 理論を提唱されました。この理論 が生み出された背景と、理論の内 容について教えて頂けますでしょ うか。 佐藤 私が宇宙論研究を始めた 一九六〇年代、 「ビッグバン理論」 は宇宙論の標準となっていまし た。 「宇宙の始まりは、超高密度 で超高温の火の玉だった。それが 爆発的に膨張する過程で温度が下 がり、火の玉を構成する素粒子が 結合し、様々な元素となった。さ らに温度が下がると、ガスが固まっ 16 NICHIGIN 2015 NO.44 谷山 實 Katsuhiko Sato 木内登英 1 佐藤勝彦 宇宙創成の謎を解明する原動力は 「自分は何者か」 への探求心 我々が生きるこの世界は、どのように始まったのか――宇宙の起源に迫 る「インフレーション理論」を提唱し、宇宙論研究を国際的にリードす る佐藤勝彦博士。宇宙創成の謎を解く発想、衛星観測による発見、新た に生まれた謎などをテーマに、宇宙への情熱溢れる対談からは、科学研 究の根源的な目的も導き出された。 しかし、このシナリオには未解 決な問題も残されていました。そも きた」というシナリオです。 て、銀河や星、太陽系も地球もで ギー」（注 ）が膨大にあったこと 初 期 の 宇 宙 で は「 真 空 の エ ネ ル ついて解明を試みました。すると、 を応用して、火の玉宇宙の誕生に 基 本 と し つ つ、 「真空の相転移」 というシナリオです。 して、宇宙は火の玉状態となった」 エネルギーは熱エネルギーに変化 加速膨張は終了。そして、真空の ビレンケンという学者が一九八三 私の三〇年来の友人でもあるＡ・ 何人か現れました。そのなかで、 が残した謎に挑戦する物理学者が 年に凄いタイトルの論文を書いた そも、火の玉がどのようにして生ま 理論」が進歩しました。 「力の統 素粒子の理論である、 「力の統一 した。幸い、一九七〇年代以降、 学の中で説明したいと思っていま 佐藤 私たち物理学者としては、 宇宙の創成を神話ではなく、物理 木内 その解決につながったのが インフレーション理論ですね。 みぞ知る」などとされてきました。 か？ こうした謎の答えは「神の れたのか？ なぜ膨張が始まったの ルギーが非常に高い状態にあった 宙の真空を調べると、真空のエネ で言う「真空」です。私が初期宇 な「揺らぎ」のある空間が量子論 、そん 成と消滅を繰り返す （注 ） 空間ではありません。素粒子が生 方では、真空は何もない空っぽの 佐藤 素粒子などミクロの世界に 注目する「量子論」（注 ）の考え 木内 何もない「真空」にエネル ギーがあるのですか。 に気づいたのです。 佐藤 それは、とても本質的で重 要な質問です。インフレーション になりますか。 もともと存在していたということ ンを起こす真空、あるいは時空が の「始まり」には、 インフレーショ うことですね。そうすると、宇宙 の玉状態になることを示したと言 り、宇宙が膨張を始めたことや火 なくならず、ものすごく小さな時 態といえども「揺らぎ」は絶対に 物理学というより哲学みたいで すが、量子論に従えば「無」の状 能性があると考えたのです。 空間につながる宇宙が生まれる可 エネルギーを持ち、有限の時間や いません。その「無」の状態から、 けでなく、時間や空間すら存在して ビレンケンが言う「無」は真空 とは違います。物質やエネルギーだ のです。 「 Creation of Universes 一理論」とは、自然界を支配する ことが分かりました。その真空の 理論を提唱したとき、私は、宇宙 空が生まれては消えている （注 ） 衛星観測が理論を証明し 新たな謎も生み出す 四つの力（重力、電磁気力、陽子 エネルギーを、アインシュタイン の「種」として、素粒子のように小 とも示されてきました。相転移と だった力が四つの力に分かれるこ た、 「真空の相転移」によって一つ 枝分かれしたという仮説です。ま 一つの力であり、その力がやがて 「宇宙は誕生直後、真空のエネル こうして、インフレーション理 論が導き出されたのです。つまり、 を得ることができました。 指数関数的に膨張させるという解 と、それが空間を倍々ゲームで、 方程式に代入して計算してみる フレーション理論は一貫性のある 生の瞬間を説明できないと、イン 生したのかという、まさに宇宙誕 いました。宇宙の「種」がどう誕 説明では不完全であると承知して と考えたのです。しかし、そんな た。それが加速膨張を起こしたのだ さな最初の時空の存在を仮定しまし オです。 が創成されていったというシナリ な加速膨張を起こして火の玉宇宙 フレーション理論が説明するよう ポッと誕生し、その瞬間からイン 真空のエネルギーを持った時空が 子論の効果で宇宙の「種」となる 「トンネル効果」（注 ）という量 ということになります。そこから、 」 、つまり「無」から from Nothing の宇宙創成を彼は唱えました。 などの素粒子の世界で働く強い （注 ）の一般相対性理論 （注 ）の なったり、水蒸気になったりする ギーによって急激な加速膨張を始 理論にならないからです。 は、身近な例で言えば、水が氷に ことで、温度の変化により物の性 めた。そして加速膨張がしばらく 「無」からの宇宙創成論は細か 質（相）が急変する物理現象です。 その後、インフレーション理論 続いた後、真空の相転移が起こり 木内 インフレーション理論は、 真空のエネルギーと相転移によ 力、弱い力）は、初期の宇宙では 2 私は、この「力の統一理論」を 4 注１ ／ 一 九 四 六 年、 ロ シ ア 生まれの米国の物理学者 ジョージ・ガモフ（一九〇四 ～一九六八）により提唱さ れた。当初は、共著者たち の名前をとって「αβγ（ア ル フ ァ・ ベ ー タ・ ガ ン マ ） 理論」として発表されたが、 後日、この理論を認めない 学者が揶揄して 「宇宙がビッ グバン（大きなバーンとい う爆発）から始まったとい うのか？」と言ったのを冗 談好きのガモフが面白がっ て採用したもの。なお、ガ モフは、 『不思議の国のトム キンス』や『１、 ２、 ３…無 限大』など、科学に関する 分かりやすい啓蒙書の名著 を多数残している。 注２／空間そのものが持つエ ネルギーとされる。 注３／素粒子などミクロ的な 領域の現象を取り扱う物理 学の分野。量子論の描き出 す ミ ク ロ の 世 界 は、 「真空 の揺らぎ」 、 「トンネル効果」 など我々が日常的に認識で きる世界とはかなり異なる。 注４／「ハイゼンベルクの不 確定性原理」の下では、真 空という何もない空間にお い て も、 人 間 の 認 識 で き ないほどの短時間におい て、粒子と反粒子がペアで 生成消滅を繰り返してい る。例えば、負の電荷を持 つ通常の電子と、正の電荷 を持つ陽電子が誕生しては 打ち消し合っている。これ を「真空の揺らぎ」と言い、 一九九七年、実験によって 存在が確認された。なお、ハ イゼンベルクの不確定性原 理とは、ドイツのヴェルナー・ ハイゼンベルク（一九〇一～ 一九七六、 一九三二年ノーベ ル物理学賞受賞）によって 提唱された、素粒子は粒子 と波の二つの性質を持つた め、その速度（運動量）と 位置とを同時に正確に決定 することはできないという 原理 。 NICHIGIN 2015 NO.44 17 5 りますが、私は、大筋において本 論は大きな支持を受けることにな 結果により、インフレーション理 や割合も求められています。それ 構成する物質やエネルギーの種類 木内 人工衛星による精密な観測 データを解析することで、宇宙を Ｎ）というところでは、加速器に う。欧州原子核研究機構（ＣＥＲ 解明はそんなに難しくないでしょ いかと私は思っています。正体の 九年には、ヨーロピアン・スペー ントは、宇宙全体に広がり未だ正 ト程度しかなく、残り九六パーセ しょうか。 その正体は分かるのではないで んでいます。今後二〇年もすれば、 て、それは何らかの素粒子ではな 質を捉えたものだと考えていま りました。 によると、星や空気や人体をつく よる未知の素粒子の研究に取り組 ス・エージェンシーという欧州の 体不明の暗黒物質（ダークマター） らぎを描き出しました。この観測 す。現在では、宇宙誕生の瞬間を る通常の物質はわずか四パーセン 木内 物理学の世界では、理論と 実証との間に役割分担があるよう 宇宙機関が打ち上げた人工衛星に やダークエネルギーであるとも言 初期の姿が徐々に見えるように 後の技術進歩のおかげで、宇宙の が整っていませんでしたが、その た。論文発表の時点では観測手段 よって理論が検証されてきまし ができます （注 ）。残念ながら今 るまでの加速膨張を直接見ること 力波を通じて、火の玉宇宙ができ た波で、観測成功が本当なら、重 インも一般相対性理論から予言し 表しました。これはアインシュタ 回は違う電波を観測していること 18 NICHIGIN 2015 NO.44 な部分でまだ分からないこともあ 説明する標準の「パラダイム」と また、二〇〇一年に米国 NASA が WMAP 衛星を、さらに二〇〇 に思います。アインシュタインの よって、さらに細かな観測が行わ 一方で謎が深いのはダークエネ ルギーの方です。一九九八年に見 して認められています。 相対性理論は、後に他の研究者に われています。これらの正体は何 なってきたのです。 が明らかになりましたが、現在、 ギーの発見」として発表されまし れ、 イ ン フ レ ー シ ョ ン 理 論 は 裏 インフレーション理論もその正し 「種」が鮮明に見えるようになっ より実証、証明されていきました。 さが他の研究者に証明され、宇宙 たことで、宇宙の年齢も現在では つ か っ た と き は「 真 空 の エ ネ ル 誕生以降を描く標準理論になりま 一三八億年と求められています。 なのでしょうか。 した。 最近では二〇一四年三月、アメ リカの研究チームがインフレー づ け ら れ ま し た。 宇 宙 の 構 造 の 佐藤 私がインフレーション理論 に関する論 文を書いたのは一九七 （注 ション時に放射された「重力波」 た。なぜその存在が分かったかと 38 万年 佐藤 ダークマターは宇宙の中で 三〇パーセント近くを占めてい 九年でした。その後、一九九〇年 一九九二年にアメリカの人工衛 星「ＣＯＢＥ」は宇宙全体から届 世界中の研究者らが初めて重力波 現在 138 億年 注５ ／ ア ル バ ー ト・ ア イ ン シ ュ タ イ ン（ 一 八 七 九 ～ 一九五五）は、ブラウン運 動の解明、 光量子仮説（ノー ベル物理学賞の対象） 、質 量とエネルギーの等価性 （ 、 2 特殊および一般 相対性理論などを提唱した。 注６ ／ 特 殊 相 対 性 理 論 で は、 光速度一定の下、空間を異 なる速度で移動する観測者 間では、時間の進行が異な るとされる。例えば、双子 の兄が光に近い速度で兄の 時間で一年間宇宙旅行をす ると、弟の時間では彼の寿 命が来ていたということが 起こる。一般相対性理論で は、特殊相対性理論に重力 を加味し、重力によって空 間が歪むこと、重力が強け れば、時間の進行がそれだ け 遅 く な る と さ れ て い る。 また、大きい質量の物が運 動すると、それに伴う空間 の歪みが波のように伝わる こ と、 す な わ ち「 重 力 波 」 の存在も予見されている。 注７／ インフレーション理論 では、我々が存在している宇 宙以外にも無数の宇宙がつ ）の痕跡の観測に成功したと発 くマイクロ波 （注 ）を観測し、宇 の痕跡を観測しようと激しい競争 代 以 降 に な っ て、 実 際 の 観 測 に 宙が加速膨張するとき、つまりイ 。 を行っている最中です （注 ） 12 くられると予想されている。 ンフレーション時に生成された揺 11 注８／例えば、我々がボール を壁に向かって投げても壁 で跳ね返される。量子論の 扱うミクロの世界では、 ボー ル（粒子）は、確率的に壁 の向こうに通り抜けること ができる。こうした現象を 「トンネル効果」という。 注９／「宇宙全体から届くマ イクロ波」 （宇宙背景放射） とは、宇宙そのものの爆発 と言えるビッグバンで生じ たエネルギーの痕跡。ガモ フによってその理論の証拠 として予言され、一九六四 年発見された。その後、観 測精度の上昇に伴い、イン フレーション理論が予想し たマイクロ波の揺らぎ（微 細なムラ）が見いだされた。 10 注 ／注６の一般相対性理論 を参照。 注 ／宇宙誕生から三八万年 後までは、宇宙は非常に高 温・ 高 密 度 で あ っ た た め、 電子と原子核がバラバラな 状 況 に あ っ た。 こ の た め、 光は電子などにぶつかって 直進できず、通常の方法で は、それより前の時代を観 測できない。これに対して、 重力波はあらゆるものを通 過し得るので、インフレー ション期の重力波によりそ の頃の宇宙の状況を明らか にし得ると期待されている。 注 ／ノーベル賞をもたらし たニュートリノの検出（小 柴昌俊、二〇〇二年物理学 賞）とその質量の確認（梶 田隆章、二〇一五年物理学 賞）に成功したカミオカン デのある神岡鉱山跡に「か ぐら」という重力波検出装 置を二〇一五年度より設置 し、重力波の検出に挑む。 注 ／ ポ ー ル・ ゴ ー ギ ャ ン （一八四八～一九〇三）フラ ンスの画家。彼の絵に見ら れる原初的な色彩や大胆な 形象は、二〇世紀絵画に多 大な影響を与えた。 言うと、宇宙の膨張は一度減速し たのですが、約六〇億年前から再 行くのか」（注 ）という有名な絵 か、我々は何者か、我々はどこへ ギャンの「我々はどこから来たの かと危惧しています。高度成長時 える形で現れてきただけではない これは過去の成長時代の財産が見 類ですが、その量は桁違いに小さ き起こした真空のエネルギーと同 ん。初期のインフレーションを引 しかし、何がダークエネルギー をつくっているか全く分かりませ がそれを引き起こしているのです。 です。そして、ダークエネルギー ンフレーションが始まっているの ていましたが、その後、第二のイ になり、宇宙の膨張は減速を続け ら加速膨張が起こって火の玉状態 論研究の成果に触れることで人々 難しいのが実情です。また、宇宙 ない研究が国民の理解を得るのは ないと、役に立つかどうか分から てくれて嬉しい」と思ってもらわ るのは面白い」 「宇宙論を研究し の本などを通じて「宇宙の謎を知 活に役立つかは分かりません。私 方、宇宙論研究は人々の明日の生 という声が強くなっています。一 佐藤 近年、科学者に対し「役に 立つ研究をしなければならない」 か。 な影響を考えていらっしゃいます 紹介することでどのような社会的 も読者の一人ですが、研究成果を 木内 佐藤先生は、一般に向けて 啓蒙書も多く書かれています。私 者がノーベル賞を受賞しました。 木内 二〇一五年は、生理学・医 学と物理学の二分野で日本人研究 展するはずです。 日本は、国力が上がり、文化も発 ます。多くの人たちがそうなれば、 これはすごく大事なことだと思い のような存在なのかを認識する。 科学全般に関するリテラシーを 高める。世界の中で「自分」がど 観を持つことにもつながります。 知ることは、広く長い視野で人生 かを知ることにあります。それを 分」がどのような位置に存在する を解き明かし、 その世界の中で「自 生きている世界がどういうものか 解答を求めること、つまり我々が は、まさにこの根源的な問いへの 画があります。科学の大きな目的 ためには、若手研究者を勇気づけ 科学研究が競争力を維持していく ているようにも思います。日本の 研究者の競争が、目先の成果を求 また、我々の時代と比べて、若い は、大きな問題だと思っています。 佐藤 一つには、大学への研究費 が相対的に少なくなっていること 木内 日本の科学研究のさらなる 発展に向けて何が必要でしょう なるのではないかと恐れています。 るでしょうが、それ以降は難しく 賞も今後十数年ぐらいは期待でき がったのです。しかし、ノーベル の産物・成果がノーベル賞につな した。加速度的な勢いのある時代 指し、最先端の研究に取り組みま 代、我々世代は世界のトップを目 科学研究の大きな目的は 「自分」の位置を探ること いと思われます。したがって、宇宙 が基礎的な科学リテラシーや正し ここ数年、自然科学系でのノーベ たり、落ち着いて研究に打ち込め び加速膨張していると分かったか を倍々に膨張させるものの、 一〇〇 い自然観を持つようになれば、こ ル賞の受賞が増えていますが、ど る環境を与えたりする必要がある らです。すなわち、宇宙は誕生か 億年ごとに倍々にする程度の緩や れは社会全体にとって意義深いこ のような背景があると考えられる 分」とはどういう存在なのか知り 日本は誇りある文化の国になって 佐藤 日本人のノーベル賞の受賞 が相次いでいるという意味では、 でしょうか。 ざいました。 ります。本日は誠にありがとうご 木内 これからも日本の科学研究 を主導されるご活躍を期待してお と、私は思っています。 めすぎ、その結果激しくなりすぎ か。 かな加速と考えられています。 ととも思います。 たい、という欲求を人間は持って きたと言えるでしょう。しかし、 さらに言えば、宇宙の始まりを 知 り た い、 広 い 宇 宙 の 中 で「 自 いるのではないでしょうか。ゴー NICHIGIN 2015 NO.44 19 1 10 11 12 13
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