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物理学の未解決問題をいかに探求するか

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    ある物理の問題が
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    子供の頃から随分と私の頭を悩ませてきました
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    それは科学者が
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    100年もの間 問い続けても
    答えが得られない問題に
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    関わるものです
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    自然界で最小の物質であり
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    量子論の世界に属する素粒子と
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    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
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    惑星や恒星や銀河とを
    どうやって統一するのか?
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    子供のころには
    この問題に対して答えを出そうと
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    顕微鏡や電磁石をいじくったり
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    微小世界の力や量子力学について
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    本を読んだりしました
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    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
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    驚きました
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    それから天体を観測しました
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    重力がかなり解明されていることも
    学びました
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    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―
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    あるに違いないと確信しました
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    しかし そのようなものはありません
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    本によると
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    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
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    数学的に結び付けようとすると
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    全くうまくいきません
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    100年もの間
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    この根本的な物理学上の破綻を
    解く試みはどれも
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    実験による裏付けができませんでした
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    少し大きくなった私―
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    好奇心旺盛で 疑り深い子供の私には
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    この状況は到底
    納得のいくものではありませんでした
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    そうです 私は今でも疑り深い子供なのです
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    ここで2015年の12月に話が飛びますが
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    この時 私がその中心にいた物理の世界は
  • 1:35 - 1:38
    天地のひっくり返る騒ぎのまっただ中でした
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    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
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    それは新粒子の兆しであり
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    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
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    私は まだ疑り深い子供だと思うのですが
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    今や 素粒子ハンターでもあるのです
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    私は 物理学者で
    稼働中の実験施設では最大の
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    CERNの大型ハドロン衝突型加速器で
    研究しています
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    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
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    地下100メートルに埋められています
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    このトンネルの中で
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    宇宙空間よりも冷たい超伝導磁石を使って
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    陽子を光速近くまで加速して
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    1秒間に数百万回 衝突させ
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    その衝突による生成粒子を捉えて
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    新たな 未発見の基本粒子を探しています
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    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
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    数十年間に渡る努力の賜物です
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    2015年の夏には
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    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
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    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
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    高いエネルギーは重要です
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    なぜなら 素粒子の世界では
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    エネルギーと質量は等しいからです
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    質量は 自然が与えた ただの数値です
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    新粒子を発見するには
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    より大きな数値に達する必要があります
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    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
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    そして 世界で最高エネルギーを生む
    最大の加速器が
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    CERNのLHCなのです
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    そこでは 陽子を数千兆回衝突させ
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    何か月にもわたる時間をかけて
    そのデータを集めます
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    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
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    予測値からのわずかな偏りであり
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    滑らかな線に凹凸を与える
    一群のデータ点です
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    例えば このグラフ上のコブは
  • 3:33 - 3:36
    2012年に数ヶ月間
    データを蓄積した結果ですが
  • 3:36 - 3:39
    ボソン粒子のひとつである
    ヒッグス粒子の発見に至り
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    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
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    2015年に エネルギーが
    大幅に増強されたことによって
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    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
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    史上最大のチャンスが訪れました
  • 3:55 - 3:59
    なぜなら ヒッグス粒子を発見した時の
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    約2倍のエネルギーだからです
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    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
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    率直に言って
    好奇心旺盛な子供の私にとっては
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    それまでの人生は
    この一瞬を待つためだったのです
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    2015年は まさにその時でした
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    2015年の6月に
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    LHCは再稼働しました
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    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
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    そして ついに この最高エネルギーでの
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    陽子衝突の1回目を観測しました
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    拍手と乾杯と祝福が起こりました
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    科学界の節目でした
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    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
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    数週間後にはグラフ上に
    コブを見つけました
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    あまり大きくはありませんでしたが
  • 4:47 - 4:49
    眉を上げるには十分な大きさのコブでした
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    眉を上げる段階を10段階に分けて
  • 4:51 - 4:53
    10を新粒子発見とすると
  • 4:53 - 4:55
    今回は4ぐらいでした
  • 4:55 - 4:57
    (笑)
  • 4:58 - 5:04
    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
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    同僚たちと秘密裏に話し合い
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    データを徹底的に調べ上げ
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    精査に耐えるかどうかを検討しました
  • 5:12 - 5:15
    何か月もの間 憑りつかれた様に
    研究をしました
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    家には帰らず 研究所に寝泊まりし
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    キャンディバーを夕食にして
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    バケツ一杯のコーヒーを飲み―
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    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―
  • 5:26 - 5:27
    (笑)
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    しかし このわずかなコブは消えませんでした
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    そして 数か月後
  • 5:33 - 5:36
    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
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    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
  • 5:40 - 5:43
    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
  • 5:44 - 5:46
    私たちはこのコブに関して
    冷静でいようとしました
  • 5:47 - 5:50
    いずれにしろ
    この発表は世界中に広まりました
  • 5:50 - 5:52
    マスコミはこぞって取り上げました
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    このコブはヒッグス粒子発見の
    過程で現れたコブを
  • 5:55 - 5:59
    彷彿とさせると言われました
  • 5:59 - 6:02
    さらに 同業者である理論物理学者たちは
  • 6:02 - 6:04
    私の大好きな人たちですが
  • 6:04 - 6:08
    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
  • 6:09 - 6:10
    (笑)
  • 6:10 - 6:15
    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
  • 6:16 - 6:20
    何故 この問題のコブは
    何千人もの物理学者たちが―
  • 6:20 - 6:24
    誰も彼も冷静さを失うほどの
    代物なのでしょうか
  • 6:25 - 6:27
    このわずかなコブは独特でした
  • 6:28 - 6:29
    このコブが示唆するのは
  • 6:29 - 6:32
    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
  • 6:32 - 6:36
    その衝突の生成物は
    2つの光子だけ つまり
  • 6:36 - 6:37
    2個の光の粒子だけなのです
  • 6:37 - 6:38
    これは稀なことです
  • 6:39 - 6:42
    粒子の衝突は自動車の衝突とは違います
  • 6:42 - 6:43
    別の法則に従います
  • 6:43 - 6:46
    2つの粒子が
    光速に近い速さで衝突する時は
  • 6:46 - 6:47
    量子論が適用されます
  • 6:47 - 6:48
    量子論の世界では
  • 6:48 - 6:51
    2つの粒子から
    新しい粒子が1つできますが
  • 6:51 - 6:54
    その粒子の寿命はごくわずかな時間で
  • 6:54 - 6:57
    別の粒子に分裂して検出されます
  • 6:57 - 7:01
    車の衝突で考えると 衝突の瞬間に
    2台の車が消えて
  • 7:01 - 7:03
    その場所に自転車が1台現れるということです
  • 7:03 - 7:04
    (笑)
  • 7:04 - 7:07
    その自転車は分裂して
    2台のスケートボードになり
  • 7:07 - 7:08
    これが観測器で検出されます
  • 7:08 - 7:09
    (笑)
  • 7:09 - 7:11
    うまくいけばですが
    正確には少し違います
  • 7:11 - 7:13
    この実験は非常に高くつきます
  • 7:13 - 7:17
    2個の光子だけしか検出されない例は
    極めて稀です
  • 7:17 - 7:21
    光子は素粒子の中でも特別な性質を持つため
  • 7:21 - 7:25
    2つの光子しか生み出さないような
    新粒子の可能性は―
  • 7:25 - 7:27
    先程の謎の自転車に相当しますが―
  • 7:27 - 7:29
    非常に限られます
  • 7:30 - 7:33
    しかし その選択肢の一つは
    かなりの高エネルギーで
  • 7:33 - 7:36
    私を子供の頃から悩ませていた
  • 7:36 - 7:38
    あの積年の問題
  • 7:38 - 7:39
    つまり重力に関係します
  • 7:41 - 7:44
    重力はとても強い力に見えるかもしれません
  • 7:44 - 7:49
    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
  • 7:49 - 7:51
    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
  • 7:52 - 7:55
    手から陽子を取り出すことはできません
  • 7:56 - 7:59
    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?
  • 8:00 - 8:02
    10の39乗分の1です
  • 8:02 - 8:05
    小数点以下に39個の0が並びます
  • 8:05 - 8:06
    さらに悪いことに
  • 8:06 - 8:09
    自然界の他の力は
    私たちが標準モデルと呼ぶ理論で
  • 8:09 - 8:11
    完全に説明できます
  • 8:11 - 8:15
    これは 自然界を最も小さな尺度で説明できる
    現時点での最良の理論です
  • 8:15 - 8:16
    率直に言って
  • 8:16 - 8:20
    人類の最も優れた成果の1つです
  • 8:20 - 8:24
    重力は例外です
    重力は標準理論に含まれていません
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    有り得ません
  • 8:26 - 8:29
    重力の大半は
    消えてしまったというのでしょうか
  • 8:30 - 8:32
    私たちは重力を少しは感じますが
  • 8:32 - 8:34
    残りはどこにあるのでしょう
  • 8:34 - 8:35
    誰も知りません
  • 8:36 - 8:40
    さて 大胆な説明を提案している
    ある仮説があります
  • 8:42 - 8:43
    私たちは
  • 8:43 - 8:44
    後ろの方のあなたも
  • 8:44 - 8:47
    3次元の空間にいます
  • 8:47 - 8:50
    このことは
    受け入れていただけるといいのですが
  • 8:50 - 8:51
    (笑)
  • 8:52 - 8:55
    既知の粒子も全て3次元空間に存在します
  • 8:55 - 8:57
    実は 粒子があるということは
    3次元空間において
  • 8:57 - 9:00
    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
  • 9:00 - 9:02
    空間が局所的に揺らいるのです
  • 9:03 - 9:07
    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
  • 9:07 - 9:10
    次元の数は3つだと仮定としていることです
  • 9:10 - 9:13
    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
  • 9:13 - 9:16
    とても長い間
    空間の余剰次元について
  • 9:16 - 9:17
    いろいろと考えられてきました
  • 9:17 - 9:20
    ただこれは 抽象的な数学の概念に
    すぎませんでした
  • 9:20 - 9:23
    つまり 周りを見回しても―
    後ろの方も見回してください
  • 9:23 - 9:25
    明らかに空間には3次元しかありません
  • 9:26 - 9:28
    それが現実ではなかったらどうしますか?
  • 9:29 - 9:36
    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
  • 9:36 - 9:38
    漏れているとすると
    どうでしょう?
  • 9:39 - 9:42
    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
  • 9:42 - 9:45
    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
  • 9:45 - 9:48
    重力がとても弱い力だと考えられているのなら
  • 9:48 - 9:50
    どうでしょう?
  • 9:52 - 9:53
    もしこの仮説が本当ならば
  • 9:53 - 9:56
    素粒子の標準モデルを
    拡張しなければなりません
  • 9:56 - 10:00
    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―
  • 10:00 - 10:03
    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
  • 10:03 - 10:05
    皆さんの様子からすると
  • 10:05 - 10:06
    このようにお思いでしょう
  • 10:06 - 10:10
    「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?
  • 10:10 - 10:13
    私たちは3次元空間に捕らわれているのに」
  • 10:13 - 10:14
    こういうときはいつも
  • 10:14 - 10:16
    2つの陽子を衝突させるのです
  • 10:16 - 10:17
    (笑)
  • 10:17 - 10:20
    十分に激しい衝突ならば
  • 10:20 - 10:22
    そこにあるべき空間の余剰次元を
    揺るがせて
  • 10:22 - 10:25
    直ちに高次元の重力子が生まれ
  • 10:25 - 10:29
    すぐにLHCがある3次元空間にポンと戻り
  • 10:29 - 10:33
    2つの光子に
    つまり2個の光の粒子に分裂します
  • 10:35 - 10:38
    ここで仮定した余剰次元の重力子は
  • 10:38 - 10:42
    2個の光子によるわずかなコブを
    生み出せるという
  • 10:42 - 10:44
    特別な量子的特徴を持ちうる
  • 10:44 - 10:49
    仮想的な新粒子のひとつです
  • 10:50 - 10:56
    重力の謎を解き明かし
  • 10:56 - 10:58
    空間の余剰次元を発見する可能性―
  • 10:59 - 11:01
    もう皆さんはお判りでしょう
  • 11:01 - 11:05
    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
  • 11:05 - 11:07
    誰も彼も冷静さを失ったのか
  • 11:07 - 11:10
    教科書を書き換えるほどの発見です
  • 11:10 - 11:11
    ここで思い出してください
  • 11:11 - 11:13
    その時この研究をしていた
  • 11:13 - 11:16
    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
  • 11:16 - 11:17
    「もっとデータが必要です」
  • 11:18 - 11:19
    データが蓄積されれば
  • 11:19 - 11:24
    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
  • 11:24 - 11:26
    (笑)
  • 11:26 - 11:29
    新たなデータがコブの周囲を埋めて
  • 11:29 - 11:30
    滑らかな線となるか判ります
  • 11:31 - 11:33
    私たちはデータを取り続けました
  • 11:33 - 11:35
    数ヶ月かかって5倍の量のデータを集めた結果
  • 11:35 - 11:37
    このわずかなコブは
  • 11:37 - 11:39
    滑らかな線になりました
  • 11:43 - 11:47
    マスコミは「大きな失望」とか
    「消えた希望」とか
  • 11:47 - 11:49
    素粒子物理学者たちの「残念」などと
    報道しました
  • 11:49 - 11:51
    このように報道されたので
  • 11:51 - 11:54
    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
  • 11:55 - 11:56
    (笑)
  • 11:56 - 11:58
    しかし そんなことはしません
  • 12:01 - 12:03
    何故でしょうか?
  • 12:04 - 12:07
    仮に新粒子を発見できなくても
    まあ実際だめでしたが―
  • 12:08 - 12:11
    何故ここで話をしているのか?
  • 12:11 - 12:13
    何故 恥ずかしさに肩を落とし
  • 12:13 - 12:15
    帰国しないのでしょうか?
  • 12:19 - 12:22
    素粒子物理学者は探査をしています
  • 12:23 - 12:26
    私たちは
    専ら地図を作っているようなものです
  • 12:27 - 12:29
    LHCから離れて
    分かりやすく説明します
  • 12:29 - 12:34
    あなたが宇宙飛行士で
    宇宙の彼方の惑星に到着し
  • 12:34 - 12:35
    異星人を探しているとします
  • 12:35 - 12:36
    最初に何をすべきでしょう?
  • 12:38 - 12:41
    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
  • 12:41 - 12:43
    ざっと調べて地球の基地に報告するでしょう
  • 12:43 - 12:44
    ざっと調べて地球の基地に報告するでしょう
  • 12:44 - 12:46
    この段階に私たちはいます
  • 12:47 - 12:49
    LHCで はっきりとした
  • 12:49 - 12:51
    大きな新粒子を探すための最初の調査をし
  • 12:51 - 12:53
    何もなかったと報告をしたところです
  • 12:53 - 12:56
    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
  • 12:56 - 12:58
    近寄って見ると それは岩でした
  • 12:59 - 13:01
    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?
  • 13:01 - 13:03
    絶対に違います
  • 13:03 - 13:05
    そんなことをするのは最悪の科学者です
  • 13:05 - 13:08
    そうではなくて
    次の二十年間かけて探検をして
  • 13:08 - 13:10
    その星の詳細な地図を作り
  • 13:10 - 13:12
    高性能の機器で砂を厳密に調べて
  • 13:12 - 13:14
    全ての石の下を探り
  • 13:14 - 13:16
    地面に穴をあけます
  • 13:16 - 13:18
    新粒子はすぐに大きな
    はっきりとしたコブとして
  • 13:18 - 13:20
    現れるかもしれませんし
  • 13:21 - 13:25
    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
  • 13:26 - 13:30
    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
  • 13:30 - 13:32
    もっと探索しなくてはなりません
  • 13:32 - 13:38
    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?
  • 13:39 - 13:40
    より大きな実験設備を建設します
  • 13:41 - 13:42
    (笑)
  • 13:42 - 13:44
    もっと高いエネルギーで実験をします
  • 13:44 - 13:46
    もっと高いエネルギーで実験をします
  • 13:47 - 13:50
    100キロのトンネルを造る計画は
    すでに進行しています
  • 13:50 - 13:53
    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
  • 13:53 - 13:56
    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
  • 13:56 - 13:58
    探索し続けることを決めただけです
  • 13:58 - 14:01
    もし100キロのトンネルでも
  • 14:01 - 14:02
    500キロのトンネルでも
  • 14:02 - 14:05
    あるいは 地球と月の間の宇宙空間に浮かぶ
  • 14:05 - 14:07
    1万キロに及ぶ衝突型加速器でも
  • 14:07 - 14:10
    新粒子を発見できないとしたらどうでしょう?
  • 14:11 - 14:14
    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
  • 14:14 - 14:16
    (笑)
  • 14:16 - 14:18
    私たちは考え直さなくてはならないのでしょう
  • 14:19 - 14:22
    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
  • 14:22 - 14:24
    必要となるでしょう
  • 14:24 - 14:27
    LHCの一部では既に
    人工知能や機械学習の技術を
  • 14:27 - 14:29
    取り入れています
  • 14:29 - 14:31
    極めて複雑なアルゴリズムを使って
  • 14:31 - 14:33
    自分で学習をして高次元の重力子を
  • 14:33 - 14:36
    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
  • 14:36 - 14:38
    しかし あの究極の問いはどうなるでしょう?
  • 14:38 - 14:42
    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?
  • 14:42 - 14:44
    何世紀にも渡って未解決であった
    これらの問題は
  • 14:44 - 14:47
    近い将来には解けない定めだとしたら?
  • 14:47 - 14:50
    私が子供の頃から頭を悩ませている問題が
  • 14:50 - 14:53
    私が生きている内には
    解決されない運命だとしたら?
  • 14:54 - 14:55
    そうなったら―
  • 14:56 - 14:58
    もっと面白くなるでしょう
  • 15:00 - 15:03
    全く新しい方法で
    考えなくてはならなくなるでしょう
  • 15:04 - 15:06
    仮定に立ち戻って
  • 15:06 - 15:09
    どこかに間違いがないか
    確かめなくてはならないでしょう
  • 15:09 - 15:13
    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
  • 15:13 - 15:16
    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
  • 15:16 - 15:19
    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
  • 15:19 - 15:21
    しかし 誰かが―
    今は学生かもしれませんし
  • 15:21 - 15:23
    まだ生まれてもいないかもしれませんが
  • 15:24 - 15:27
    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
  • 15:27 - 15:31
    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
  • 15:32 - 15:34
    それは物理学の終わりではなく
  • 15:34 - 15:36
    新しい始まりです
  • 15:37 - 15:38
    ありがとうございました
  • 15:38 - 15:41
    (拍手)
Title:
物理学の未解決問題をいかに探求するか
Speaker:
ジェームズ・ビーチャム
Description:

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。

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
15:54
  • レビューをしていただく方へ

    翻訳をした鈴木です。どうぞよろしくお願いします。

    このトークはTEDx版もあり、そちらの翻訳も担当しています。
    TEDx版はまだアップできていませんが、同じ内容にする予定です。
    reviewにもTEDx版にTED版の内容を反映したいと考えていますがいかがでしょうか。
    どうぞ宜しくお願いします。

  • レビューをしていただく方へ

    翻訳を担当した鈴木です。
    TEDx版もアップしましたので、ご参照ください。
    http://www.amara.org/en/videos/0wZJdDncpx9H/info/how-we-explore-unanswered-questions-in-physics-james-beacham-tedxberlin/

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