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← 物理学の未解決問題をいかに探求するか | ジェームズ・ビーチャム | TEDxBerlin

ジェームズ・ビーチャムは物理学で最も重要な未解決問題の答を求めて、世界最大の科学実験施設であるCERNの大型ハドロン衝突型加速器で研究をしています。この面白く分かりやすいトークで、彼は科学はどのように展開していくかを紐解きます。未発見の基本粒子を探し、重力の謎を解き明かす旅路は空間の余剰次元へと向かい、探求はいかに継続していくのかが詳しく説明されます。

このビデオは、TEDカンファレンスの形式で地元コミュニティが独自に運営するTEDxイベントにおいて収録されたものです。詳しくは http://ted.com/tedx をご覧ください。

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Showing Revision 10 created 04/27/2017 by Natsuhiko Mizutani.

  1. ある物理の問題が
  2. 子供の頃から随分と私の頭を悩ませてきました
  3. それは科学者が
  4. 100年もの間 問い続けても
    答えが得られない問題に
  5. 関わるものです
  6. 自然界で最小の物質であり
  7. 量子論の世界に属する素粒子と
  8. 自然界での最大の物体であり
    重力で結びつけられている
  9. 惑星や恒星や銀河とを
    どうやって統一するのか?
  10. 子供のころには
    この問題に対して答えを出そうと
  11. 顕微鏡や電磁石をいじくったり
  12. 微小世界の力や量子力学について
  13. 本を読んだりしました
  14. そして 本の記述が 私たちの実験結果と
    よく合致していることに
  15. 驚きました
  16. それから天体を観測しました
  17. 重力がかなり解明されていることも
    学びました
  18. そして 私はこれらの2つのシステムを
    統一する美しい理論が―
  19. あるに違いないと確信しました
  20. しかし そのようなものはありません
  21. 本によると
  22. この2つの領域について
    別々には研究が進んでいますが
  23. 数学的に結び付けようとすると
  24. 全くうまくいきません
  25. 100年もの間
  26. この根本的な物理学上の破綻を
    解く試みはどれも
  27. 実験による裏付けができませんでした
  28. 少し大きくなった私―
  29. 好奇心旺盛で 疑り深い子供の私には
  30. この状況は到底
    納得のいくものではありませんでした
  31. そうです 私は今でも疑り深い子供なのです
  32. ここで2015年の12月に話が飛びますが
  33. この時 私がその中心にいた物理の世界は
  34. 天地のひっくり返る騒ぎのまっただ中でした
  35. CERN(欧州原子核研究機構)で
    興味深いデータが見つかったことに端を発します
  36. それは新粒子の兆しであり
  37. 長年の問題に 驚くべき解答が
    得られる可能性を匂わせていました
  38. 私は まだ疑り深い子供だと思うのですが
  39. 今や 素粒子ハンターでもあるのです
  40. 私は 物理学者で
    稼働中の実験施設では最大の
  41. CERNの大型ハドロン衝突型加速器で
    研究しています
  42. これは フランスとスイスの国境にまたがる
    27キロのトンネルで
  43. 地下100メートルに埋められています
  44. このトンネルの中で
  45. 宇宙空間よりも冷たい超伝導磁石を使って
  46. 陽子を光速近くまで加速して
  47. 1秒間に数百万回 衝突させ
  48. その衝突による生成粒子を捉えて
  49. 新たな 未発見の基本粒子を探しています
  50. この施設の設計と建設は
    世界中から集まった物理学者の
  51. 数十年間に渡る努力の賜物です
  52. 2015年の夏には
  53. 人類史上最大のエネルギーでの
    衝突型加速器実験をするために
  54. この大型ハドロン衝突型加速器(LHC)の
    稼働に向けて精力的に働いていました
  55. 高いエネルギーは重要です
  56. なぜなら 素粒子の世界では
  57. エネルギーと質量は等しいからです
  58. 質量は 自然が与えた ただの数値です
  59. 新粒子を発見するには
  60. より大きな数値に達する必要があります
  61. そこで より高エネルギーを生む
    より大きな衝突型加速器が必要です
  62. そして 世界で最高エネルギーを生む
    最大の加速器が
  63. CERNのLHCなのです
  64. そこでは 陽子を数千兆回衝突させ
  65. 何か月にもわたる時間をかけて
    そのデータを集めます
  66. すると 新粒子がデータの グラフ上の
    コブとして表れてくるかもしれません
  67. 予測値からのわずかな偏りであり
  68. 滑らかな線に凹凸を与える
    一群のデータ点です
  69. 例えば このグラフ上のコブは
  70. 2012年に数ヶ月間
    データを蓄積した結果ですが
  71. ボソン粒子のひとつである
    ヒッグス粒子の発見に至り
  72. ボソン粒子のひとつである
    ヒッグス粒子の発見に至り
  73. 粒子の存在を裏付けることで
    ノーベル賞受賞にもつながりました
  74. 2015年に エネルギーが
    大幅に増強されたことによって
  75. 新粒子 つまり長く未解決だった問題への
    新たな答を発見する
  76. 史上最大のチャンスが訪れました
  77. 史上最大のチャンスが訪れました
  78. なぜなら ヒッグス粒子を発見した時の
  79. 約2倍のエネルギーだからです
  80. 私の同僚の多くは この一瞬に
    研究生活の全てを賭けていました
  81. 率直に言って
    好奇心旺盛な子供の私にとっては
  82. それまでの人生は
    この一瞬を待つためだったのです
  83. 2015年は まさにその時でした
  84. 2015年の6月に
  85. LHCは再稼働しました
  86. 私は同僚たちと一緒に
    息もできないほどドキドキしていました
  87. そして ついに この最高エネルギーでの
  88. 陽子衝突の1回目を観測しました
  89. 拍手と乾杯と祝福が起こりました
  90. 科学界の節目でした
  91. この新たに観測されたデータから
    何が発見できるかは未知数でした
  92. 数週間後にはグラフ上に
    コブを見つけました
  93. あまり大きくはありませんでしたが
  94. 眉を上げるには十分な大きさのコブでした
  95. 眉を上げる段階を10段階に分けて
  96. 10を新粒子発見とすると
  97. 今回は4ぐらいでした
  98. (笑)
  99. 何時間も 何日間も 何週間もかけて
    このわずかなコブについて
  100. 同僚たちと秘密裏に話し合い
  101. データを徹底的に調べ上げ
  102. 精査に耐えるかどうかを検討しました
  103. 何か月もの間 憑りつかれた様に
    研究をしました
  104. 家には帰らず 研究所に寝泊まりし
  105. キャンディバーを夕食にして
  106. バケツ一杯のコーヒーを飲み―
  107. 物理学者は コーヒーを図表に変える
    機械のようなものですが―
  108. (笑)
  109. しかし このわずかなコブは消えませんでした
  110. そして 数か月後
  111. 我々はこのわずかなコブを
    明快なメッセージとともに世界に発表しました
  112. それは このわずかなコブは興味深いが
    決定的ではないので
  113. さらなるデータを取って
    注意深く観測するつもりだということです
  114. 私たちはこのコブに関して
    冷静でいようとしました
  115. いずれにしろ
    この発表は世界中に広まりました
  116. マスコミはこぞって取り上げました
  117. このコブはヒッグス粒子発見の
    過程で現れたコブを
  118. 彷彿とさせると言われました
  119. さらに 同業者である理論物理学者たちは
  120. 私の大好きな人たちですが
  121. 理論家たちはこのコブについて
    500本もの論文を書きました
  122. (笑)
  123. 素粒子物理学界は
    天地がひっくり返るほどの大騒ぎでした
  124. 何故 この問題のコブは
    何千人もの物理学者たちが―
  125. 誰も彼も冷静さを失うほどの
    代物なのでしょうか
  126. このわずかなコブは独特でした
  127. このコブが示唆するのは
  128. ある種の衝突が 予想外に多く
    観測されているということです
  129. その衝突の生成物は
    2つの光子だけ つまり
  130. 2個の光の粒子だけなのです
  131. これは稀なことです
  132. 粒子の衝突は自動車の衝突とは違います
  133. 別の法則に従います
  134. 2つの粒子が
    光速に近い速さで衝突する時は
  135. 量子論が適用されます
  136. 量子論の世界では
  137. 2つの粒子から
    新しい粒子が1つできますが
  138. その粒子の寿命はごくわずかな時間で
  139. 別の粒子に分裂して検出されます
  140. 車の衝突で考えると 衝突の瞬間に
    2台の車が消えて
  141. その場所に自転車が1台現れるということです
  142. (笑)
  143. その自転車は分裂して
    2台のスケートボードになり
  144. これが観測器で検出されます
  145. (笑)
  146. うまくいけばですが
    正確には少し違います
  147. この実験は非常に高くつきます
  148. 2個の光子だけしか検出されない例は
    極めて稀です
  149. 光子は素粒子の中でも特別な性質を持つため
  150. 2つの光子しか生み出さないような
    新粒子の可能性は―
  151. 先程の謎の自転車に相当しますが―
  152. 非常に限られます
  153. しかし その選択肢の一つは
    かなりの高エネルギーで
  154. 私を子供の頃から悩ませていた
  155. あの積年の問題
  156. つまり重力に関係します
  157. 重力はとても強い力に見えるかもしれません
  158. しかし 実際には 自然界の他の力に比べると
    信じられないほど弱い力です
  159. 私が跳ねるだけで
    簡単に重力を打ち負かすことができますが
  160. 手から陽子を取り出すことはできません
  161. 重力は自然界の他の力と比べると
    どの程度の強さなのか?
  162. 10の39乗分の1です
  163. 小数点以下に39個の0が並びます
  164. さらに悪いことに
  165. 自然界の他の力は
    私たちが標準モデルと呼ぶ理論で
  166. 完全に説明できます
  167. 標準モデルは 自然界を最も小さな尺度で
    説明する現時点での最良の理論です
  168. 率直に言って
  169. 人類の最も優れた成果の1つです
  170. 重力は例外です
    重力は標準理論に含まれていません
  171. 有り得ません
  172. 重力の大半は
    消えてしまったというのでしょうか
  173. 私たちは重力を少しは感じますが
  174. 残りはどこにあるのでしょう
  175. 誰も知りません
  176. さて 大胆な説明を提案している
    ある仮説があります
  177. 私たちは
  178. 後ろの方のあなたも
  179. 3次元の空間にいます
  180. このことは
    受け入れていただけるといいのですが
  181. (笑)
  182. 既知の粒子も全て3次元空間に存在します
  183. 実は 粒子があるということは
    3次元空間において
  184. その場所のエネルギーが
    基底より高い状態にあるということです
  185. 空間が局所的に揺らいるのです
  186. もっと重要なことは こういった物理を
    記述するために用いる数学では
  187. 次元の数は3つだと仮定としていることです
  188. しかし数学は数学です
    いろんな数学的な扱いを試すことができます
  189. とても長い間
    空間の余剰次元について
  190. いろいろと考えられてきました
  191. ただこれは 抽象的な数学の概念に
    すぎませんでした
  192. つまり 周りを見回しても―
    後ろの方も見回してください
  193. 明らかに空間には3次元しかありません
  194. それが現実ではなかったらどうしますか?
  195. 重力の失われた部分は
    私たちには見えない空間の余剰次元に
  196. 漏れているとすると
    どうでしょう?
  197. この空間の余剰次元も見えれば
    重力は他の力と同じぐらい強いのに
  198. 私たちが感じられるのは
    重力のほんの小さな断面だけなので
  199. 重力がとても弱い力だと考えられているのなら
  200. どうでしょう?
  201. もしこの仮説が本当ならば
  202. 素粒子の標準モデルを
    拡張しなければなりません
  203. そうすると 余剰次元の素粒子
    つまり重力の高次元素粒子―
  204. 空間の余剰次元に存在する
    特別な重力子を含めることができます
  205. 皆さんの様子からすると
  206. このようにお思いでしょう
  207. 「一体どうやってこんな途方もない
    SF小説のようなアイディアを試すのだろう?
  208. 私たちは3次元空間に捕らわれているのに」
  209. こういうときはいつも
  210. 2つの陽子を衝突させるのです
  211. (笑)
  212. 十分に激しい衝突ならば
  213. そこにあるべき空間の余剰次元を
    揺るがせて
  214. 直ちに高次元の重力子が生まれ
  215. すぐにLHCがある3次元空間にポンと戻り
  216. 2つの光子に
    つまり2個の光の粒子に分裂します
  217. 2つの光子に
    つまり2個の光の粒子に分裂します
  218. ここで仮定した余剰次元の重力子は
  219. 2個の光子によるわずかなコブを
    生み出せるという
  220. 特別な量子的特徴を持ちうる
  221. 仮想的な新粒子のひとつです
  222. 重力の謎を解き明かし
  223. 空間の余剰次元を発見する可能性―
  224. もう皆さんはお判りでしょう
  225. どうして何千人もの物理オタクが データ上の
    2個の光子からできるわずかなコブに
  226. 誰も彼も冷静さを失ったのか
  227. 教科書を書き換えるほどの発見です
  228. ここで思い出してください
  229. その時この研究をしていた
  230. 実験物理学者たちが出したメッセージは
    とても明確でした
  231. 実験物理学者たちが出したメッセージは
    とても明確でした
  232. 「もっとデータが必要です」
  233. データが蓄積されれば
  234. このわずかなコブが
    パリッと素敵なノーベル賞になるか
  235. (笑)
  236. 新たなデータがコブの周囲を埋めて
  237. 滑らかな線となるか判ります
  238. 私たちはデータを取り続けました
  239. 数ヶ月かかって5倍の量のデータを集めた結果
  240. このわずかなコブは
  241. 滑らかな線になりました
  242. マスコミは「大きな失望」とか
    「消えた希望」とか
  243. 素粒子物理学者たちの「残念」などと
    報道しました
  244. このように報道されたので
  245. 世間は 私たちがLHCを閉鎖し
    帰国したと考えたことでしょう
  246. (笑)
  247. しかし そんなことはしません
  248. 何故でしょうか?
  249. 仮に新粒子を発見できなくても
    まあ実際だめでしたが―
  250. 何故ここで話をしているのか?
  251. 何故 恥ずかしさに肩を落とし
  252. 帰国しないのでしょうか?
  253. 素粒子物理学者は探査をしています
  254. 私たちは
    専ら地図を作っているようなものです
  255. LHCから離れて
    分かりやすく説明します
  256. あなたが宇宙飛行士で
    宇宙の彼方の惑星に到着し
  257. 異星人を探しているとします
  258. 最初に何をすべきでしょう?
  259. すぐに惑星を周回し 着陸し
    生命の大きく顕著な兆候がないか
  260. ざっと調べて地球の基地に報告するでしょう
  261. ざっと調べて地球の基地に報告するでしょう
  262. この段階に私たちはいます
  263. LHCで はっきりとした
  264. 大きな新粒子を探すための最初の調査をし
  265. 何もなかったと報告をしたところです
  266. 私たちは遠くの山に
    異星人らしき変なコブを見ましたが
  267. 近寄って見ると それは岩でした
  268. そこで私たちはどうするでしょう?
    諦めて飛び去りますか?
  269. 絶対に違います
  270. そんなことをするのは最悪の科学者です
  271. そうではなくて
    次の二十年間かけて探検をして
  272. その星の詳細な地図を作り
  273. 高性能の機器で砂を厳密に調べて
  274. 全ての石の下を探り
  275. 地面に穴をあけます
  276. 新粒子はすぐに大きな
    はっきりとしたコブとして
  277. 現れるかもしれませんし
  278. 何年もの間データを取り続けてから
    やっと現れるかもしれません
  279. 人類は非常に高いエネルギーでの探索を
    LHCで始めたばかりです
  280. もっと探索しなくてはなりません
  281. もし10年あるいは20年経っても
    新粒子を発見できなかったらどうしましょう?
  282. より大きな実験設備を建設します
  283. (笑)
  284. もっと高いエネルギーで実験をします
  285. もっと高いエネルギーで実験をします
  286. 100キロのトンネルを造る計画は
    すでに進行しています
  287. LHCの10倍のエネルギーで
    粒子を衝突させられるでしょう
  288. 自然が新粒子をどこに隠したか
    決めることはできません
  289. 探索し続けることを決めただけです
  290. もし100キロのトンネルでも
  291. 500キロのトンネルでも
  292. あるいは 地球と月の間の宇宙空間に浮かぶ
  293. 1万キロに及ぶ衝突型加速器でも
  294. 新粒子を発見できないとしたらどうでしょう?
  295. 多分 素粒子物理学のやり方が
    間違っているということです
  296. (笑)
  297. 私たちは考え直さなくてはならないのでしょう
  298. 私たちが今持っているよりも
    多くの資金と技術とノウハウが
  299. 必要となるでしょう
  300. LHCの一部では既に
    人工知能や機械学習の技術を
  301. 取り入れています
  302. 極めて複雑なアルゴリズムを使って
  303. 自分で学習をして高次元の重力子を
  304. 発見できるような素粒子物理実験を
    設計すると考えてみましょう
  305. しかし あの究極の問いはどうなるでしょう?
  306. しかし あの究極の問題はどうなるでしょう?
  307. 人工知能でさえ私たちの問題に答えを出す
    助けとならないとしたら?
  308. 何世紀にも渡って未解決であった
    これらの問題は
  309. 近い将来には解けない定めだとしたら?
  310. 私が子供の頃から頭を悩ませている問題が
  311. 私が生きている内には
    解決されない運命だとしたら?
  312. そうなったら―
  313. もっと面白くなるでしょう
  314. 全く新しい方法で
    考えなくてはならなくなるでしょう
  315. 仮定に立ち戻って
  316. 間違いがないか
    確かめなくてはならなくなるでしょう
  317. そして 一緒に科学を研究するように
    より多くの人を誘わなくてはなりません
  318. それは100年続く問題に対する
    新たな視点が必要だからです
  319. 私はその答を見つけていませんし
    その答をまだ探しています
  320. しかし 誰かが―
    今は学生かもしれませんし
  321. まだ生まれてもいないかもしれませんが
  322. その誰かが 全く新しい方法で
    物理学を捉えるように導き
  323. 今の問いが間違っていただけだと
    指摘してくれるでしょう
  324. それは物理学の終わりではなく
  325. 新しい始まりです
  326. ありがとうございました
  327. (拍手)