この10年間は物理学の歴史において、ひとつの転換点ではなく、一連の転換点となった。
2010年代は新たな知識の飛躍的な10年間でしたが、さらに重要なのは、この10年間の発見、そしてその圧倒的な不足が、物理学者たちのそれぞれの分野に対する考え方を変えたことです。素粒子物理学と天体物理学は、研究者の科学研究のあり方を根本から変える新たな時代を迎えました。量子力学の枠組みに基づく新技術は、コンピューティング、材料科学、そしてエネルギーの取り扱い方に大きな転換をもたらす可能性があります。
「私たちはパラダイムシフトの真っ只中にいるように感じます」と、スタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の素粒子物理学および天体物理学准教授、ナタリア・トロ氏はギズモードに語った。「私たちがどこへ向かうのかはまだ明確ではありませんが、50年後には、この10年間は物理学に対する私たちの理解における大きな転換の始まりとして記憶されるでしょう。」
小さなものを見つける
この10年間は、科学者が大きなものと小さなものの両方を理解する方法に劇的な変化をもたらしました。おそらく最も顕著なのは、スイスのジュネーブにある直径17マイル（約27キロメートル）の粒子加速器兼衝突型加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の科学者たちが、素粒子物理学の中心的な理論である標準模型によって記述される最後の粒子であるヒッグス粒子の証拠を発見したことでしょう。
1964年以前、宇宙を記述する理論はいくつかありましたが、問題がありました。物理学者が既に質量を持つことを知っている特定の粒子は質量がないはずだと予測していたのです。その後、6人の科学者（最も有名なのはピーター・ヒッグス）が3本の論文を発表し、この問題を解決しました。ゲージボソンと呼ばれる力を伝える粒子に質量が現れるメカニズムを詳細に説明することで、宇宙を記述する理論が依然として有効になるというものです。このメカニズムには、ヒッグス粒子と呼ばれる別の粒子の存在が必要でした。多くの探索にもかかわらず、ヒッグス粒子は10年前まで発見されていませんでした。
欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、史上最大の科学実験施設として2008年に稼働を開始しました。2012年7月4日、世界中の研究者が講堂や講義室に詰めかけ、LHCの研究者たちがついに発表に耳を傾けました。LHCの研究者たちは、ATLASとCMSと呼ばれる、実験施設ほどの大きさの2つの検出器でヒッグス粒子の証拠を発見したと発表しました。多くの人が、標準モデルで予測されたすべての粒子が発見され、標準モデルは完成したと大騒ぎしました…しかし、本当にそうだったのでしょうか？
「標準モデルを完成させたと言うことは、これで終わりだという意味です」と、フェルミ国立加速器研究所の著名な科学者であり、欧州原子核研究機構（CERN）のCMSコラボレーションの副広報担当者であるパティ・マクブライド氏はギズモードに語った。「しかし、まだ終わっていません。」多くの謎、そして実のところ、宇宙に存在するものの約96%は、いまだに標準モデルでは説明できないままである。
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は2012年以来、不気味なほど静かである。それ以来、標準モデルを検証する多くの興味深い結果が発表されてきたが、ヒッグス粒子の後に新しい粒子は見つかっていない。物理学者は、CERNがスーパーパートナーのような他の粒子の証拠を発見することを期待していた。これらの粒子は、重力が他の力よりもはるかに弱い理由（地球の重力すべてを合わせても、冷蔵庫のマグネットがペーパークリップを拾うのを止められないことを考えてみてください）を説明すると同時に、宇宙の足場を構成しているように見えるが直接観測されていない謎の物質であるダークマターの正体となると予測されていた。そして、まだ精査すべきLHCデータがたくさんあり、LHCはより高い衝突率で稼働し続けるためにアップグレードを受ける予定である一方で、科学者たちはこれらの粒子の証拠が見つかるかどうか疑問視し始めている。
しかし、発見の少なさは、いつか物理学の歴史における転換点とみなされるかもしれません。素粒子物理学者たちは、高エネルギーの超大型衝突型加速器による力ずくの実験ではなく、標準模型の様々な予測を検証する高精度実験を用いるなど、新たな方法で粒子の探索を始めています。これはまた、理論家たちが既成概念にとらわれず、暗黒物質などの新たな説明を模索するきっかけにもなっています。
「新しい粒子を探すために（粒子加速器を）より高いエネルギーまで加速させることは、技術的にますます困難になっています」と、シカゴ大学天文学・天体物理学科教授で、フェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学部門長を務めるジョシュ・フリーマン氏はギズモードに語った。「素粒子物理学コミュニティは、多様なアプローチが必要だと認識しています…これは難しい問題になるでしょう。難しい問題に直面したとき、ツールキットにあるあらゆるツールを駆使したくなるものです。なぜなら、新しい物理学はやや控えめだからです。」
波打つ時空そのもの
この10年間は、最も大規模な物理学にも革命をもたらした。1世紀以上前、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論は、高エネルギー事象が重力波と呼ばれる、時空自体を光速で波打つ擾乱を放出する可能性があると予測した。科学者たちは長い間、互いの周りを公転し衝突する超新星や連星ブラックホールによって生成される重力波を探していた。重力波の間接的な証拠は、PSR 1913+16と呼ばれる連星パルサー（一種の自転する中性子星）の発見によって初めて現れ始めた。数年後、科学者たちは、一般相対性理論がそのような系は重力波の生成によってエネルギーを失うと予測した通り、その公転周期が減少していることに気付いた。しかし、その後の探索にもかかわらず、直接的な証拠は実現しなかった。
それも、この10年までは。2015年9月14日午前5時51分（東部時間）、ワシントン州とルイジアナ州にある、それぞれ1マイル（約1.6キロメートル）以上の一辺が直角に交わるL字型の施設2つが、それぞれのレーザーの位相が互いにずれている様子を検出器で記録した。この揺れは、太陽の29倍と36倍の質量を持つ2つのブラックホールが、13億光年離れた場所で互いに螺旋状に接近し、合体し、地球に向けて重力波を放射したことによるものだった。
https://gizmodo.com/what-happens-when-two-black-holes-collide-1830709233
その後も観測は続けられたが、おそらくさらに画期的な発見は2017年にもたらされた。イタリアのVirgo実験と現在連携しているこれらの検出器が、世界中の望遠鏡が空の同じ一点から発せられる電波、紫外線、赤外線、可視光線の閃光を捉えたのと同時に、重力波を測定したのだ。このエネルギーの爆発は、都市ほどの大きさの恒星の残骸である2つの中性子星の衝突によって生じた。この単一の出来事によって、科学者たちは周期表で最も重い元素のいくつかの起源について学ぶことができ、将来的には、宇宙の加速膨張の速さに関する物理学における現在の「危機」を終わらせるのに役立つかもしれない。
このパラダイムシフトをもたらす発見は、マルチメッセンジャー天文学、つまり科学者が光波と他の粒子や波動の検出の両方を用いて天体を観測する天文学の象徴でした。望遠鏡は当初可視光のみを使用していましたが、その後、X線や電波といった他の波長の電磁波も利用されるようになり、現在では補完的な観測装置として、ニュートリノや重力波といった粒子から得られる宇宙からのデータも含まれるようになりました。
「今はマルチメッセンジャー天文学の黄金時代です」とハーバード大学物理学・科学史教授のピーター・ガリソン氏はギズモードに語った。
ブラックホール研究分野は別の意味で画期的な瞬間を迎えた。世界中の電波望遠鏡の共同プロジェクトであるイベント・ホライズン・テレスコープを運用する科学者たちがチームを組み、銀河M87の中心にある太陽の65億質量のブラックホールにアンテナを向けたのだ。これにより、世界初のブラックホールの画像、より正確には、ブラックホールがその背後の物質に落とす影が撮影された。研究者たちは以前から、こうした光を曲げる天体（光もその引力から逃れられないほど時空を歪める巨大な怪物）の証拠を見てきたが、今回の観測ではそのうちの1つの最も直接的な画像を捉えた。科学者たちは、この発見がブラックホール科学の新時代の幕開けとなり、超大質量ブラックホールが中心から噴き出す巨大な物質ジェットに対する理解が深まることを期待している。
「（ブラックホールは）宇宙規模の現象を形作る力を持っています」とギャリソン氏は述べた。「私たちは、ビッグバン以来のほんのわずかな時間だけ光を発するこれらの天体を観測しています。それらは、目に見える宇宙の果てにある灯台のように、私たちに向かって光線を放っています。これらのジェットの起源を理解することは、銀河における物質の分布を形作っている可能性のある天体をより深く理解する上で非常に重要です。」
現実世界の物理学
おそらく、この10年間、天体物理学と素粒子物理学の両方において、大きな成果を上げてきた陰の功労者と言えるだろう。それは、膨大なデータセットを整理するための機械学習アルゴリズムの利用増加だ。ブラックホールの画像は機械学習なしには存在しなかっただろう。そして、この10年間、素粒子物理学における機械学習の利用は「転換期」を迎えていると、トロ氏はギズモードに語った。
この10年間は、量子コンピュータのような素粒子物理学の奇妙な性質に基づく技術の新たな時代も幕を開けました。「この10年間は、量子コンピュータがSFから現実味を帯びたものへと変化した、まさにその時代だったと思います」と、因数分解アルゴリズムを開発したMITの数学者ピーター・ショア氏はGizmodoに語りました。
これらの量子デバイスは、1981年にリチャード・ファインマンによって提唱されたことで有名です。通常のコンピュータでは解けない特定の問題を、通常の論理ではなく、原子の奇妙で覆された確率数学を用いて解くことを目的としています。具体的には、科学者たちは将来、分子の挙動をシミュレートしたり、新しい数学的工夫を用いて特定の複雑なアルゴリズムを実行したりできるようになることを期待しています。基本的に、これらのマシンは、エネルギーパルスによって空中で軽く動かされるコインを投げることによって確率分布を生成するようなものです。そして、通常の確率のルールとは異なり、これらの量子確率は「コイン」を合計したときに負の符号を持つため、通常のコインを投げた場合よりも複雑な確率分布が得られます。
https://gizmodo.com/what-the-hell-is-a-quantum-computer-and-how-excited-sho-1819296509
イェール大学の物理学者が「トランスモン・キュービット」を発明したのは2007年のことでした。これは超伝導ワイヤのループで、人工原子として機能し、量子コンピューティングの最小単位となります。現在、IBMとGoogleはそれぞれ50以上のキュービットを持つマシンを開発しており、特定の問題においては従来のコンピュータの能力を超える速度を示し始めています。一方、他の企業もレーザーで固定された原子をベースにした同サイズのデバイスを発表しています。これらのマシン向けのソフトウェアツールやハードウェアコンポーネントを提供するスタートアップ企業のエコシステムも成長しています。
https://gizmodo.com/when-will-quantum-computers-outperform-regular-computer-1834651018
これらのマシンが、高度な乱数生成器であること以外に、古典的コンピュータに対して何らかの優位性を持つようになるまでには、まだ数十年かかるかもしれない。外界からの振動や放射線の影響で量子性を失う前に制御するのは非常に困難だ。それでも、例えば2進数列で1を出力するべきところを0を出力するなど、間違った結果を返す可能性もある。研究者たちは現在、複数の量子ビットを組み合わせて、エラーが発生しにくい巨大な「論理的」量子ビットを生成することで、エラー訂正の実装に取り組んでいる。物理学者が夢見る真に「フォールトトレラント」な汎用量子コンピュータの実現には、その潜在能力を最大限に発揮するために数百万量子ビットが必要になるかもしれない。
しかし物理学者たちは、たとえうまく動作していないとしても、興味深いことをするこれらの小型でノイズの多いデバイスに、何か用途が見つかるかもしれないと期待している。2017年、カリフォルニア工科大学の物理学者ジョン・プレスキルは、量子コンピューティングの新たな時代、「ノイズを伴う中規模量子技術（NISQ）」時代に入ったと宣言した。
この10年間、科学者たちは量子力学の奇妙な性質を新たなセンシング技術に取り入れてきました。中国の科学者たちは、量子力学の数学を用いて中国とオーストリア間のビデオ通話を暗号化する衛星を打ち上げました。量子を超えて材料科学の分野に進出した研究者たちは、ほぼ室温で抵抗なく電気を伝導する初の材料を開発した可能性があります。これもまた、数十年にわたる研究の成果です。そして昨年、科学者たちは2枚のグラフェンシートをひねるだけで超伝導のオン/オフを切り替えることができることを発見しました。この発見は、それ以来、2次元システムにおける膨大な研究成果を生み出してきました。
https://gizmodo.com/why-twisted-graphene-is-one-of-the-most-exciting-physic-1833304370
2010年代は物理学の歴史において最良の時代とは言えないかもしれません。20世紀初頭には数多くの新発見があり、その多くは、科学者が宇宙を最大スケールから最小スケールまで捉える考え方を根底から覆すものでした。また、驚くべき発見ばかりでもなく、多くの発見は何年もかけて実現されたものでした。しかし、この10年間を振り返る歴史家たちが、物理学全体にわたるパラダイムシフト、つまり歴史の流れを変えた新しい技術、実験手法、そして思考様式を目の当たりにすることは間違いありません。
マクブライド氏は「物理学にとって素晴らしい10年だったと思う」と語った。
