時間の科学20230813

Enjoy Science
タイムトラベルは可能？まったり楽しむ時間の科学
2023/8/13
KOJI FUKUOKA

留意事項
◼ この分野はまだ不確定要素と流動性が高いので、あくまで発信日時での情報であ
ることに留意ください。
◼ 所属企業ではなく、あくまで個人としての発信です。本情報に伴う結果に関して責
任は負いかねます。
COPYRIGHT@ KOJI FUKUOKA
2

本シリーズ共通の趣旨：３つの謎への探求をカジュアルに楽しむ
3
生命とは？
宇宙とは？
知能とは？
宇宙物理学
宇宙生物学
分子生物学
合成生物学
神経科学
コンピュータ科学
物理学
生物学
化学
生理学
数学
解きたい謎関連する学問テーマ学問テーマの大分類
今回の
テーマ

資料の流れ
• タイムトラベルの歴史
• 時間の歴史
• 関連する物理理論
○ （ニュートン）力学
○ 相対性理論
○ 熱力学
○ 量子力学
• 最新トピック
• まとめ
※質問・感想は都度チャットでお願いします
4
【自己紹介】
某企業で事業開発・教育活動に従事。
元々宇宙物理研究を志し、今は１科学愛好家。

タイムトラベルの歴史：金字塔となった古典作品
イギリスの小説家H・G・ウェルズにより、1895年に
発表されたSF小説。（2回映画化）
＜作品のタイムトラベル原理＞
主人公の科学者が、時間は空間（3次元）と同等
の4次元であるという理論と装置を発明。
冒頭の主人公のセリフ
「時間と、空間の3つの次元との間には、なんらちがいは
ありません。唯一の差は単にわれわれの意識が時間に
沿って動くというだけです。」
5
〇出所i:「タイムマシン」HGウェルズ

タイムトラベルの歴史：金字塔となった古典作品２
6

有識者による「時間の定義」と分類
7
「時間」は各時代の各分野の有識者によって様々な切り口で表現され、今回は物理学に絞ります。
※出所：「タイムトラベル」ジェイムズ・グリッグ
「時間とは永遠の揺れ動く写像である」（BC4世紀の哲学者プラトン）
「時間とは運動の前後における数である」（BC4世紀の哲学者アリストテレス）
「時間とは何であろうか。誰も私に問わなければ、私はそれを知っている。だが、だれか問う人がいて、
その人に説明しようとした時には、私はそれを知らない。」（BC4世紀の哲学者アウグスティヌス）
「時間など、存在しない」（20世紀の哲学者ハイデッガー）
「時間とは、すべてが同時に起こるのを防ぐ自然の手段だ」（20世紀の物理学者ジョン・ホイーラー）
「時間とは、他に何もない時に起きているものである」（20世紀の物理学者リチャード・ファインマン）
＜時間がテーマになる学問分野と今回の範囲＞
物理学、神経科学、認知心理学、哲学

初期の時計：暦としての機能
8
歴史的には、シュメール文明が初めて天文現象をもとに「暦」として時間を導入したと考えられています。
BC2500年頃に、シュメール文明で月の満ち欠
けと太陽の動きをもとにした太陰太陽暦
古代バビロニアに
おいて、天体観測
に基づいてバビロ
ニア暦が作られた
ことを楔形文字、西
洋占星術とも共通
する天文学のシン
ボル、数式で描か
れ真鍮板に刻まれ
たフライス画。
古代バビロニアの
学者が記述した粘
土板をフライスの技
術を用いて現代に
蘇らせたような作品

現代の時計：世代交代が近い
9
光格子時計が将来的に置き換わる可能性（
18桁の精度）
→300億年に1秒の誤差
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20221014_n01/
元素（ストロンチウム）を 100万個の小さな箱（格子）に閉じ込め
てその計測平均値をとることで高い精度
（相対性理論を土台にしている）
https://museum.seiko.co.jp/knowledge/Quartz02/
現時点は「原始時計」を採用
1967年に「セシウム133原子時計」が、国際単位系
において1秒を定義する基準に。
1秒は｢セシウム133原子が91億9263万1770回振動
する時間｣と定義。
→3億年に1秒の誤差
安定した元素セシウムにエネルギーを与えると安定的な
周波数を放出するので、それを基準に。
（古典量子論を土台にしている）

中世の科学：ニュートンの描く世界・宇宙像
10
1666年発行のプリンキピア
（自然哲学の数学的諸原理
絶対的な・真の・数理的な時間とは、
外部と一切かかわりなく、おのずとそ
の本質に基づいて一律に流れていく
ものである。
絶対空間とは、外部と一切かかわり
なく、本質として不変不動を保つもの
である。
絶対空間と絶対時間の概念を提唱
〇Wikipedia「絶対時間と絶対空間」
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%B6%E5%AF%BE%E6%99%82
%E9%96%93%E3%81%A8%E7%B5%B6%E5%AF%BE%E7%A9%B
A%E9%96%93
2021/12「人類が探求した宇宙
の過去・現在・未来」再掲

1905年：アインシュタイン「奇跡の年」
12
3月
光電効果ブラウン運動特殊相対性理論
5月 6月 9月 E=mc2
追加論文
金属等に一定条件での光を照
射すると光電子が飛び出す現
象を、光量子仮説で解明（光は
粒でもある）
⇒量子力学発展の基礎
〇Wikipedia
ミクロな不規則な運動(植物学
者ブラウンが発見)は、熱運動す
る媒質の分子の不規則な衝突
によるものであると提唱
⇒分子/原子の存在証明へ
ガリレオ変換（相対性原理）とマ
クスウェル理論(絶対静止系の
エーテル仮説)の齟齬を満たす
べく、下記2つを導入
光速度不変の原理
相対性原理：全ての慣性座標系
は等価
⇒時間は絶対でなく相対的
距離＝速さ×時間
2022/11「祝！ノーベル賞量子
もつれを解きほぐす」再掲

光速度不変の法則：時間は見る人によって固有
13
静止時 t = L÷c
移動物体の見かけの時間 t1 = L1(>L)÷c(不変)
L1

一般相対性理論：時空を再定義
14
時空の歪みで星の光もゆがむ（重力レンズ）
重力とは時空の歪みの度合い
時空の歪み（＋宇宙定数）＝物質の質量(エネルギー)
↑宇宙を定常させるための苦肉の策
一般相対性理論（別名重力）方程式の意味合い
アルベルト・アインシュタ
イン
(1879〜1955)
2021/12「人類が探求した宇宙
の過去・現在・未来」再掲

一般相対性理論：我々の日常にも
15
GPSは高度数万kmを秒速数
kmで動くため、相対性理論で
無視できない時間差を補正処
理
頂上と地面で10億分の4秒/1日の時間差
（光格子時計で計測可能）

一般相対性理論：時空をワープする「ワームホール」
16
更に発展させたのが名
付け親「ジョン・ホイー
ラー」
（マイスナーと共同研
究）
→ワームホールの壁
は不安定性で崩れや
すく通るのは無理。
生みの親「ヘルマン・ワ
イル」
→アインシュタインと
ローゼンが発展

一般相対性理論：映画「インターステラー」
17
キップ
ソーン
（相対性理論の権
威の一人。重力波
発見で2016年ノー
ベル物理学賞。
タイムトラベルの論
文も）
https://www.amazon.co.jp/dp/B00NUB4EVC/
SF映画
インターステラー」
環境破壊された地球を脱
出する話
案１．居住可能惑星を探
す（超越者がワームホー
ルを案内）
案２．重力制御して居住
空間を創る（そのために
ブラックホールから量子
情報が必要）
科学
総監修
土星の近くにワームホールが
あり、その先に居住可能惑星
がいくつか存在。
初めに降り立った惑星は
重力が強いため、現地の1時
間が待機母船7年となる設定

一般相対性理論：ワームホールの研究は続くが実用性はまだ先
18
https://www.sciencealert.com/physicists-just-figured-out-how-wormholes-could-enable-time-travel
https://arxiv.org/abs/2305.03887
→1周回っても時間が変わらないリング（時間的閉曲線）を
こう紡いだらいけるかもよ、というアイデア
・希望する時間差を生むために
片方を高速移動させる
・内部を負の質量を持つ（エキ
ゾチック）物質で満たさないと崩
壊
・たとえ上記を実現しても、量子
力学の真空ゆらぎがハウリング
してワームホール破壊（byホー
キング）
ワームホール作成における技術的課題

そもそもの謎：なぜ時間は一方向的（過去→未来）なのか？
19
出所：Wikipedia
ニュートンの力学法則マクスウェルの電磁気学アインシュタインの相対性理論
時間を過去に進めても理論的には破綻しない

熱力学：遂に時間の矢（一方向性の謎）が理論化
20
熱力学第二法則によれば、常にエントロピーが増大する、つまり時間の一方向性が示されています。
https://jp.dreamscope.me/blog/2021/4/entropy
乱雑の度合いを指
す

熱力学：悪魔が登場
21
ところが、電磁気学を完成させたマクスウェルの思考実験（19世紀後半）が長年「時間の矢」を阻んで来ました。
出所：Wiki「マクスウェルの悪魔」
エントロピー増大則を防ぐ「マクスウェルの悪魔」
動きの早い分子だ
けをBに通す

熱力学：100年ごしでついに悪魔払いに成功
22
コンピュータ（情報）科学の研究が進み「悪魔が測定・消去する行為」のエントロピー増大を含めると常に増大、つまり
時間は逆方向に働かないことが示されました。
「悪魔の作業」までカウントするとエントロピーはやはり増大していた
調べたり忘れると
きもエントロピー
が発生

量子力学：決定論という科学神話の崩壊
23
https://www.mext.go.jp/a_menu/shinkou/ryoushi/detail/1316005.htm
位置と運動が同時
にはわからない（不
確定性原理）
観測するまで存在確率
しか分からないし、重ね
合うことも可能
量子力学での原子模型観測にも限界が・・・

量子力学（不確定性原理）が悪魔の再召喚に成功
24
https://www.nature.com/articles/s41598-019-40765-6
https://gendai.media/articles/-/74885?page=2
https://yoshiyalab.com/2019-3-physicists-reverse-time-using-quantum-computer
量子コンピュータの計算で局所的にエントロピー減少に成功
→タイムトラベルには役立たないが・・・
量子計算でテクニカルな変換処理を行う事で実現→自然でも宇宙背景輻射のゆらぎで同じような現象が起こるかも
→毎秒100億個の電子を138億年観察しても、そのうちたった1つしか進化を逆転するものは現れない
（かつその際の時間逆転は、100億分の1秒の過去にすぎない）

最新トピック：大統一理論
25
25
我々の知る「４つの力」を統一的に記述する「大統一理論」への挑戦はいまだに続いています。
〇標準理論が直面するいくつかの限界（素粒子物理国際研究センターサイト）
https://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/elementaryparticle/beyond.html
https://higgstan.com/wp/wp-content/uploads/2012/08/interaction-01.jpg
4つの力とは？

最新トピック：大統一理論
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大統一理論は主に「量子重力理論」と呼ばれ、「超ひも（弦）理論」「ループ量子重力理論」が有名です。
古典力学
量子力学特殊相対性理論
場の古典論
場の量子論
→素粒子標準模型
一般相対性理論
量子重力理論
ミクロ超高速
加速運動
質量大
場を
含める
参考：ブライアングリーン「隠れていた宇宙」
「大栗先生の超弦理論入門」
ループ量子重力理論
超ひも(弦)理論

最新トピック：ループ量子重力理論が導いた驚くべき結末
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ループ量子重力理論に従うと、時間という物理的実在は消え去ってしまうという結論が導かれます。（代わりにループ
が織りなすネットワーク度合いを表す値）
ループ量子重力理論が唱える離散的な空間最小構造。時間はノードの繋がり度合いで創発される存在
https://blog.goo.ne.jp/sonokininatte55/e/5b15299d6fd9b4de7a81741eb0b3467c

最新トピック：超ひも理論の「量子もつれ」が時間を創成
宇宙を構成する時間と空間は
「量子もつれ」で創成されたという仮説
脳の記憶領域で「量子もつれ」
と思われる現象が確認
〇量子もつれが時空を形成する仕組みを解明～重力を含む究極の統一理論への新しい視点～（Kavli 2015）
https://www.ipmu.jp/ja/node/2175
〇人間の脳は量子計算をしているとの研究結果（Gigazine 2022/10）
https://gigazine.net/news/20221021-brains-quantum/
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ホログラフィー原理：ミクロな世界での重力（時空との連
関）を、重力を含まない量子力学の問題として説明可能
→量子もつれが時空創成の種では？

最新トピック：サイクリック宇宙論
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超ひも理論から派生した「サイクリック宇宙論」が「収縮時の時間反転」を唱えていましたが、今では根拠が乏しく、代
わりに加速宇宙の手段としてインフレーション理論の次候補になっています。
https://www.monionoheya.com/2017/06/blog-post.html
初期のサイクリック宇宙論（収縮時
(Crunch)にエントロピー減少説が一時期出ていた）
→今は加速膨張の果て(ビッグリップ)に次の宇宙を創成するモデルにバージョンアップ中

まとめ
◼ 古典物理における時間は未来・過去いずれでも成立しますが、熱力学（エントロ
ピー増大則）でその一方向性が定められました。
◼ 相対性理論（時空の歪み）／量子力学（確率的存在）の特性を生かしたタイムマ
シンのアイデアは唱えられてきましたが、まだ原理段階で実用性はきわめて低い
です。
◼ 万物の（量子重力）理論の2大候補では、「時間」の定義が再構築される可能性
を秘めています。
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