【東大名誉教授が教える】“現代宇宙物理学の最前線”を知りたい読者にとっての「格好の案内書」とは？

ウォール・ストリート・ジャーナル、BBC、タイムズなど各メディアで絶賛されているのが『THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙』（アンドリュー・ポンチェン著、竹内薫訳）だ。ダークマター、銀河の誕生、ブラックホール、マルチバース…。宇宙はあまりにも広大で、最新の理論や重力波望遠鏡による観察だけでは、そのすべてを見通すことはできない。そこに現れた救世主が「シミュレーション」だ。本書では、若き天才宇宙学者がビックバンから現在まで「最新の宇宙論」を提示する。本稿では、東京大学名誉教授の早野龍五氏に本書の魅力を寄稿いただいた。（ダイヤモンド社書籍編集局）

Photo: Adobe Stock

宇宙の起源を知る

　宇宙は広大だ。その起源と全容を知ることは、人類の長年の夢であり、同時に大きな挑戦でもある。そんな宇宙を有限の「箱」の中でシミュレーションすることは可能なのか。そして、そこから得られた結果をどこまで信じられるのか。アンドリュー・ポンチェンの著書『箱の中の宇宙』は、この野心的な問いに真正面から取り組んでいる。

　本書は分厚い（409ページ！）。天文学・物理学の本でありながら、数式やカラフルな図表を一切用いず、純粋に言葉だけで宇宙の謎に迫っている。著者のポンチェンは、コンピュータシミュレーションを駆使して宇宙の謎に挑む若手天文学者の旗手である。彼はシミュレーションが21世紀の宇宙論に与えた影響の大きさを強調し、「物理学の基礎をはるかに超えて高くそびえ建つシミュレーションは、計算、科学、人間の創意工夫を融合させ、二十一世紀のコスモロジストであることの意味を大きく変えた」と述べている。

　本書の特徴的な構成は、天気予報から始まる点である。著者は、天気予報のシミュレーションを例に挙げ、空間を格子（グリッド）に分割し、時間経過とともに流体力学の基礎方程式であるナビエ・ストークス方程式を解く過程を説明する。これは宇宙シミュレーションの基本概念を理解する上で絶妙な導入となっている。

　さらに、著者はシミュレーションの限界にも言及する。例えば、局地的な豪雨を予測するほど細かいグリッドを設定することは現在のコンピュータ能力では困難であり、そのため「サブグリッド」という概念が導入されている。また、カオス理論で知られる「バタフライ効果」のため、未来を完全に予測することは不可能だと指摘している。しかし、長期的な傾向を捉えることは可能であり、過去のデータとの比較によってシミュレーションの正確性を検証できるとも述べている。

科学の進歩は多くの人々の営みの結果

　本書はダークマターやダークエネルギー、ブラックホールなど、現代宇宙物理学の主要なテーマを網羅している。特に興味深いのは、宇宙の95％を占めるとされるダークマターとダークエネルギーの謎に迫る章だ。著者のポンチェン自身、学生時代にこの説を聞いた際、「そんな話は都合よすぎる」と懐疑的だったという。しかし、シミュレーションを含む様々な研究の結果、現在では多くの天文学者がこの説を支持するに至った過程が描かれている。

　本書でもう一つの特筆すべきことは、科学の進歩が多くの人々の営みによって成し遂げられてきたことを丹念に描いている点だ。著者は「（本書は）彼ら彼女らの物語である」と書き、（評者にも）馴染みのない多くの研究者の名前を挙げている。その中には多くの女性科学者も含まれている。科学の発展過程には様々な誤りもあったが、それらを乗り越えて真相解明に近づいていく様子が生き生きと描かれている。

ヒッグス粒子を発見した研究施設

　実は、私は20年ほどにわたり、スイス・ジュネーブ郊外にある世界最大の原子核・素粒子研究施設、セルン（CERN）で、「反物質」の研究グループを率いてきた。CERNには、大型ハドロンコライダー（LHC）という巨大加速器がある。それを例に、物理学における、実験と理論の関係と、発見がどのようになされるかについて、記してみたい。

　CERNでは2012年にヒッグス粒子が発見された。1964年にピーター・ヒッグス博士とフランソワ・アングレール博士が予言した「素粒子の標準模型の最後のミッシング・ピース」を、LHCに設置されたATLASとCMSという、二つの巨大な実験装置が検出し、存在が確定したのだ（別々の実験によって検出されたことが重要）。そして、翌年の2013年、ヒッグス博士とアングレール博士に、ノーベル物理学賞が授与された。これは、物理学における、理論と実験の関係を示す一つの例である（念のために申し添えれば、理論が全く予想していなかったことが実験で見つかるという例もあるのが物理学の面白さだ）。

　CERNでは、今でも、未知の粒子（本書にも出てくるダークマター候補の粒子など）の探索が続いている。その際に欠かすことができないのもシミュレーションである。その粒子が仮に存在したならば、測定器でどのように見えるかなどを、コンピュータの中で検出器を再現して計算し、日々収集される膨大なデータと比較しているのだ。

現代宇宙物理学の最前線を知る

　本書は、宇宙物理学の最前線で使われているシミュレーションの全容を、専門知識のない読者にも分かりやすく解説することに成功している。同時に、シミュレーションの限界や課題についても率直に論じており、科学の本質的な姿勢を示している。

『箱の中の宇宙』というタイトルは、有限の計算機で（無限かもしれない）宇宙をどこまで表現できるかという、本書の中心的なテーマを端的に表現している。著者の熱意と洞察に満ちた本書は、現代宇宙物理学の最前線を知りたい読者にとって、まさに格好の案内書となるだろう。

（本原稿は、アンドリュー・ポンチェン著『THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙』〈竹内薫訳〉に関連した書き下ろしです）

---

「本当のところ」を知りたい人のための本――訳者より

　著者のポンチェンは、新進気鋭の宇宙論学者（コスモロジスト）であり、現在はユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの教授を務めている（近々、ダラム大学に移るとのこと）。コンピューターシミュレーションのスペシャリストで、多数の論文の他に、学術計算用のソフトウェアの作者でもある。

　一昔前と違って、今では、理論と実験をつなぐコンピューターシミュレーションは、重要性を増し、宇宙論だけでなく、さまざまな分野で花形といってもいい存在に躍り出た。実際、この本を読めば、シミュレーションなしにダークマターやダークエネルギーが市民権を得ることはなかっただろうと推測できる。

　また、ブラックホールの衝突による重力波が検出できたのも、その背後に無数のシミュレーションがあったからだ。ポンチェンは、そんな物理学の花形の「今」について、かなり突っ込んだ解説をしてくれる。突っ込んだ解説というのは、物理学者や天文学者が本当は何をしているのかについて、きちんと書いてくれている、という意味である。

　本来ならば、「はーい、難しいシミュレーションをするとこうなりまーす」と、端折ってしまうような内容を克明に描いてくれる。この本以外で、宇宙論シミュレーションの実際について知ろうと思ったら、何年も勉強して、大学院まで行って、専門論文を読むしかないだろう。

　本国イギリスでこの本が絶賛されている理由は、まさに、お茶を濁すようなことをせず、本気で読者に真実を伝えようという情熱が評価されているからだ。

　ダークマターやダークエネルギーを組み込んだシミュレーションが成熟して初めて、物理学者と天文学者たちは「ああ、ダークマターやダークエネルギーって、実在するんだな」と、納得したのであり、最初からダークマターやダークエネルギーを追求していた人々は、無謀か先見の明があったかのどちらかだと思う。

　現在、ダークマターとダークエネルギーの存在に根本的な異議を唱えている物理学者や天文学者は、ほとんどいないと思うが、その影には、無数のコンピューター・シミュレーションと、プログラムを書き続けた研究者たちの努力があったのだ。

　本書は、最新の宇宙論の入門書として予備知識ゼロから読めるように書かれているが、一切のごまかしがなく、きちんと宇宙論シミュレーションの奥義まで紹介してくれる。

　重厚な読後感が残る名著だと思う。

 

---

■新刊書籍のご案内

『THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙』
アンドリュー・ポンチェン【著】、竹内薫【訳】
定価2420円（本体2200円＋税）

☆全世界11カ国発刊のベストセラー！ 若き天才宇宙学者が描く最新のぶっとんだ宇宙論!!☆

野村泰紀（理論物理学者・UCバークレー教授）
「コンピュータシミュレーションで描かれる宇宙の詳細な歴史と科学者たちの奮闘。科学の魅力を伝える圧巻の一冊」

橋本幸士（理論物理学者・京都大学教授）
「この世はシミュレーション？――コンピュータという箱の中に模擬宇宙を精密に創った研究者だからこそ語れる、生々しい最新宇宙観」

全卓樹（理論物理学者、『銀河の片隅で科学夜話』著者）
「自称世界一のヲタク少年が語る全宇宙シミュレーション。綾なす銀河の網目から生命の起源までを司る、宇宙のダークな謎に迫るスリルあふれる物語」

ウォール・ストリート・ジャーナル紙
「エレガントに書かれている。宇宙論の最前線からの爽快で率直なレポート」

タイムズ紙
「優れた書き手が登場した。複雑なテーマであるにもかかわらず、本書は見事な軽い筆致で読み進むことができる」

BBC
「この本が見事なのは、最新の宇宙論を地に足をつけたものにしていることだ」

ジム・アル・カリーリ（理論物理学者『量子力学で生命の謎を解く』著書）
「望遠鏡や顕微鏡のことは忘れよう。ポンチェンの実験室は彼のコンピューターの中にあり、それは急速に科学で最も重要なツールになりつつある」

フィリップ・プルマン（『ライラの冒険』著者）
「本書は宇宙の謎を解き明かした先駆的な科学者たちの物語を明らかにする。明るく、挑発的で、大胆な本書は、宇宙に興味を持つすべての人に最適の一冊である」