「読んだことがない本。意義と、奥深さ、そして数々のシミュレーションから浮かび上がる、宇宙の複雑な美しさと魅力に驚かされる」一冊とは？【人気ブログ「基本読書」主宰】

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「ぶっとんだ宇宙論」を提示する。本稿では、人気書評ブロガーの冬木糸一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）

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複雑な宇宙をシミュレーションする

　近年、観測技術や物理学の進展に伴って現実の宇宙の理解は進んできたとはいえ、まだまだわからないことだらけだ。たとえば、各銀河が今の形になったのはなぜなのか。ダークマターが銀河の形成に大きな影響を及ぼしているとされるが、ダークマターは本当に実在するのか、観測できるのか。ブラックホールの内部はどうなっているのか。宇宙が始まる前には何があって、宇宙が終わった時、何が起こり得るのか。

　こうした疑問は難問だから残っているのであって、ほとんどは科学技術の発展もなしにすぐに解き明かせるものではない。しかし、発展を待つ以外にもできることはたくさんある。その一つが、「コンピュータの中で現実の状況を再現する」、シミュレーションを使う手法だ。シミュレーション自体は現代社会では当たり前の存在で、天気予報は地球大気のシミュレーションに基づいているし、自動車や飛行機だって製造前にシミュレーションでテストされる。それは宇宙だって例外ではない。

　実はこれが現在の宇宙の理解に著しく貢献していて──、というわけで本書『THE UNIVERSE IN A BOX 箱の中の宇宙』は、そうした宇宙のシミュレーションについて書かれた一冊である。副題に「あたらしい宇宙138億年の歴史」とあるが、本書はたしかにあたらしい。この複雑極まりない宇宙をシミュレーションするためには、何をどうしたらいいのか。どんな困難があるのか。天の川銀河には数千億もの星があって、さらに宇宙には他の銀河も無数に存在する。その中にはブラックホールもあるだろうし、ガス雲も、塵もある。それらはすべて重力でお互いを引き合っている。

　それらをどうシミュレートできるというのか。何が重要な変数で、何は無視してもよいのか。宇宙をシミュレートすることに何の意味があるのか──といった、数々の疑問を通して宇宙の歴史を紐解いていく本なのだ。著者はロンドン大学の宇宙論の教授で、数々の宇宙のシミュレートを行ってきたこの道の専門家で、本書が初の著書だという。たしかに、他でこういう本は読んだことがない。

　混沌とした星やガスや塵から、どのようにして首尾一貫した宇宙が生まれるのか。それを理解するのが、コスモロジストの主な目標の一つだ。私たちは、重力、素粒子物理学、光、放射線などの自然法則にもとづいて、コンピューター・シミュレーションを構築し、夜空の観測結果と照らし合わせて、予測を検証する。（……）シミュレーションは、小さなスケールの法則をはるかに超える、宇宙の全体像を教えてくれる。（p.20）

　正直本書を読み始める前は宇宙についてのシミュレーションが盛んに行われていることは知ってはいても、その重要性には気がついておらず興味をひかれたこともなかったが、読み終えた今ではその意義と、奥深さ、そして数々のシミュレーションの試みから浮かび上がる宇宙の複雑な美しさ、その魅力に驚かされることになった。

どのような種類のものが、どのような量で、どのような場所に

　シミュレーションがやっていることを抽象的に表現すれば、「どのような種類のものが」「どのような量で」「どのような場所に存在する可能性があるのか」を算出することだけだ。もちろんそう簡単にはいかない。分子レベルで動きを予測したくとも、量子力学の不確定な領域に入り込んでしまう。現代の計算機が扱える程度に対象を抽象化し、必要な分だけグリッドで切り分けたりといった様々な手法が必要とされる。

　で、結局そうした手法を駆使して何がわかってきたのか。いろいろあるが、わかりやすいのは「ダークマター」や「ダークエネルギー」が存在するという予測だろう。われわれが暮らす太陽系は天の川銀河に対して毎秒220kmの速度で公転している。そんなスピードで移動しているのだから相当強い重力が銀河内に存在しないと太陽系はすっ飛んでいってしまう。目視で観測できるものだけを信じるならその重力源になってくれるのは銀河の中にある星々だが、その重力では明らかに足りない。

　そこで、多くの研究者がシミュレーションを行い、「この宇宙に何を追加したら、望遠鏡で見える現実の宇宙」と合致するのかを確かめはじめた。その結果として導き出されたのが、ダークマターやダークエネルギーなのだ。ダークマターはおそらく他の何ものとも反応しないのでいまだに観測できていないが、重力は持っていてその影響を周囲に及ぼす。ダークマターが存在するなら、その重力がガスや星を引き寄せ、ダークマターが密集しているところに安定した銀河が形成されるはず──というわけだ。

　もちろんこれらも最初は単なる仮定であり、「シミュレーション上で導入すると現実の銀河に近づく」だけのことである。しかし優れたシミュレーションは「すでに現実に知られていること」以外の情報も明らかにする。ダークマターは最初、銀河が想像以上に高速で回転している異常を説明するために考案されたが、その結果として銀河が配置された広大な宇宙構造や、銀河の形成＆合体していく過程が導きだされた。重力で空間が曲がり、光の進路がわずかに屈折する「重力レンズ」という現象も間接的にダークマターの存在を示しており、こうやって一個一個証拠が積み重なっていったことで、本当にダークマターってあるかも、と受け入れられていったのだ。

宇宙の理解に近づくために

　宇宙のシミュレーションの目的は現実の宇宙の再現ばかりではない。たとえばブラックホールが銀河に与える影響を理解するために、ブラックホールの変数をシミュレーションから完全に排除してみる。そうすると、新しい星を作れなくなっていた銀河が突如として星を作り出したりする。そうやって箱の中の宇宙をこねくりまわし、時に極端な値で計算することで、宇宙の理解により近づくのである。「つまり、シミュレーションは、科学者が実験し、学ぶための研究室なのだ。」（p.360）

　本書では他にも、この世界は実は別の宇宙の知的生命体によるシミュレーションの中にあるのではないかとするシミュレーション仮説（『マトリックス』みたいな話だが真面目に検討している人たちがいる）であったり、完全なシミュレーションをするためには分子の振る舞いを考慮にいれる必要があるが、量子力学の世界のルールをどうシミュレーションに組み込むべきなのかという議論であったりと多様な論点を扱っている。

　宇宙に限らず「シミュレーション」それ自体に興味がある人は、ぜひ手にとってみてね。

（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）

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「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。

 

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■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」