第8章　原子がまだなかったころ

第84夜：訓練

八十四日目の警報は、予定されていたものでしたが、乗組員はその正確な時刻を知りませんでした。地上からは、午後のどこかで緊急時の訓練を行う、とだけ伝えられていました。ヌールが運動用の自転車をこいでいる途中で、ステーションじゅうに大きく途切れない警報音が鳴りひびき、続いてトマスの落ち着いた声が、これは訓練だと告げました。

地上で何度も練習していたので、だれもが何をすればよいのかわかっていました。ヌールは自転車から靴を外し、非常用のマスクがしまってある場所へ向かって体を押し出し、マスクを顔にかぶりました。アデはもうそこにいました。トマスが緊急時の手順の最初のいくつかを読み上げ、一人ひとりが自分の受けもちを答えていきました。表示を確かめ、決められたいくつかのハッチを正しい順番で閉め、本当の緊急時に向かう場所、自分たちを地球へ連れて帰ることのできる宇宙船の近くへ移動しました。

地上は、すべてを見守り、時間を計っていました。一時間ほどで訓練は終わり、乗組員は地上と短く話しあって、何がうまくいったか、何をもっと速くできるかを確かめました。ハッチの一つが、本来よりも閉めるのに時間がかかっていました。点検リストのページが一枚、順番をまちがえていました。こうした小さなことは書きとめられました。それが本当に問題になる前に直しておけるようにするためです。

ヌールは前から、訓練はどんな仕事にとっても、ごくありふれた部分の一つだと思っていました。地球の上のオフィスや工場、学校、病院で働く人たちも、警報が鳴ったときに建物の外へ出る練習をします。階段を下り、駐車場や中庭に集まって、だれかが人数を数えるあいだ待っています。たいていは、少しばかばかしいように感じられます。けれども訓練の目的は、正しい手順をすっかり身になじませて、本当に悪い日が来たときに、だれもそれについて考えなくてすむようにすることなのです。

訓練は成功しましたが、その夜、ヌールはなかなか眠れませんでした。恐ろしかったというわけではありません。体が、結局やってこなかった何かに備えてしまった、という感じでした。彼女は小さな寝室の壁に固定された寝袋の中に横になり、ファンのうなる音を聞いていました。頭の中では、手順を一つずつ、何度もふり返っていました。そして、さかのぼることの好きな頭だったので、訓練も、その日一日もこえて、さらにさかのぼり、この何夜か考えてきた問いのところまで戻っていきました。

サミは、その日の夕方にメッセージを送ってきていました。すぐには答えられない質問でした。「時間をどんどんさかのぼって、最初の数分間よりも前まで行ったら、何があるの？　それに、もうだれにもわからない、っていうところはあるの？」。眠れない夜にはふさわしい質問でした。正直な答えには、二つの部分があります。さかのぼっていくと、私たちの知っているどんな世界よりも奇妙で、しかも単純な世界が見つかります。そして、たしかに、だれにもわからないところがあるのです。

さらにさかのぼる

前の夜に、私たちは最初の数分間、つまり陽子と中性子が結びついてヘリウムをつくったときのことを見ました。それより前には、宇宙はさらに熱く、陽子と中性子は自由に動きまわっていました。今夜は、それよりもまたさかのぼります。さかのぼればさかのぼるほど、何もかもが熱く、密度が高くなっていきます。そして温度が上がるにつれて、ふだん私たちがかたくて永久に変わらないものだと考えているものが、ばらばらになりはじめるのです。

それを思い描く一つの方法があります。なべの中の氷を考えてみてください。温めると、それは水になります。もっと温めると、水は湯気になります。同じ分子がそこにあるのですが、温度ごとにふるまいがちがうのです。では、その湯気を、台所でできることをはるかにこえて熱するところを想像してみてください。水の分子は、水素と酸素の原子に分かれます。さらに熱すると、電子が原子から引きはがされます。もっと熱すると、原子核さえもが陽子と中性子に分かれてしまいます。初期の宇宙は、膨張して冷えていくあいだに、これらすべての段階を反対の向きに、いちばん熱い段階からいちばん冷たい段階へとたどっていったのです。

ですから、最初の数分間からフィルムを逆回しすると、宇宙が、自由に動く陽子、中性子、電子、光がとてつもない速さで動きまわる、濃いスープのようだった時代にたどり着きます。さらにさかのぼると、陽子や中性子さえまだ存在していなかった時代にたどり着きます。陽子や中性子は、クォークと呼ばれる、さらに小さなかけらでできています。陽子は三つのクォークの小さな集まりで、それらはとても強い力で結びつけられているので、今日の宇宙では、クォークが一つだけで見つかることはけっしてありません。

電子はちがいます。これまでだれかが測ることのできたかぎりでは、電子はさらに小さなかけらでできているわけではまったくありません。それは、クォークそのものと同じように、自然の本当の意味での基本的な粒子の一つであるようです。ですから、ふつうの物質をつくるいちばん小さな部品の一覧は、驚くほど短いのです。陽子と中性子をつくる二種類のクォーク、そして電子です。

宇宙がとてつもなく若かったころ、それはあまりにも熱かったので、クォークは陽子や中性子の中に閉じこめられていませんでした。クォークのあいだで強い力を伝える粒子といっしょに、熱く密度の高いまざりもののようなものの中を、自由に動きまわっていたのです。それから、宇宙が生まれておよそ百万分の一秒たったころ、クォークが三つずつ集まれるほど冷えました。陽子と中性子ができたのです。それ以来、それらが、最初の数分間に使われる部品になりました。

百万分の一秒というと、まったく何でもないように聞こえます。まばたきよりもはるかに短い時間です。けれども若い宇宙では、そのような短い時間に、たくさんのことが起きました。何もかもが、とても速く起きていたからです。物理学者たちは、初期の宇宙はふつうの秒ではなく、どれだけ冷えたかで測るべきだ、と言うことがあります。温度が一段下がるたびに新しい種類の秩序が生まれ、スープは少しずつ、私たちの世界のかけらに変わっていったのです。

初期の熱の小さなしずく

それほど短く、それほど熱い時代を、どうやって調べることができるのでしょうか。その答えの一部は、科学者が地球の上で、その小さなしずくをつくり出せるということです。粒子加速器と呼ばれる大きな機械の中で、重い原子の中心部をほとんど光の速さまで加速し、それからおたがいに衝突させます。ほんの一瞬、ちりの粒よりもはるかに小さな空間の中で、その衝突が、とても若い宇宙と同じような温度をつくり出すのです。

そうした小さなしずくの中では、衝突した原子の陽子と中性子が一瞬だけ溶けてクォークになり、熱いまざりものができます。それから、ほとんどすぐに冷えて、ふつうの粒子に戻り、衝突のまわりにある検出器の中へ飛び出していきます。出てくるものを調べることで、科学者たちは、その熱いまざりものがどのようにふるまうのかを学ぶことができます。こうして、地球の上で働く実験室が、最初の百万分の一秒をのぞく小さな窓になるのです。

こうした実験は、いくつもの驚きをもたらしてきました。多くの物理学者は、クォークの熱いまざりものは、うすいガスのようにふるまうだろうと考えていました。ところが実際には、それはむしろ液体のようにふるまい、しかもほとんどまったくねばりけなく、水や地球の上のほかのどんな液体よりもなめらかに流れるのです。これは、考えるだけではだれにも思いつけなかった、若い宇宙についての何かを教えてくれます。実験がなぜ大切なのかを、思い出させてくれる例です。

こうした機械は、人がこれまでにつくった中でもっとも大きな装置の一つです。何千人もの技術者や技能者や科学者が、交代で昼も夜もそこで働いています。ケーブルを確かめる人もいれば、測定結果を整理するコンピューターのプログラムを書く人もいます。夜通し画面を見守り、何かおかしく見えたら助けを呼ぶ人もいます。ステーションと同じように、こうした機械は、ふつうの仕事を注意深くこなす多くの人々によって動かされていて、そうした仕事が合わさって、時のはじまりにまで手をのばしているのです。

これが何を意味していて、何を意味していないのかを、はっきりさせておくことが大切です。こうした機械が新しい宇宙をつくり出すわけではありませんし、そういう意味で危険なものでもありません。ほんの一瞬、とても小さな空間の中で、初期の宇宙と同じ温度をつくり出すだけです。物理の法則はここでもそこでも同じなので、その小さな空間で起きることから、初期の宇宙がその温度でどのようにふるまったのかがわかるのです。さかのぼろうとすればするほど、必要な温度は高くなり、あるところで、どんな機械にもとうてい届かないほど高くなってしまいます。

陽子と中性子ができた時代まで、そしてそれよりいくらか前までについては、科学者たちは物語のおおすじにかなり自信を持っています。そうした時代の温度は、このようにして確かめることができるからです。それより前になると、物語はだんだん確かではなくなっていきます。物理学者たちは、それより前の時代についてもよい考えを持っていて、確かめられるかぎり同じ法則を使っています。けれども、いちばん最初に近づけば近づくほど、足もとの地面はたよりないものになっていくのです。

鏡の粒子を見つけた人々

今夜の物語の中でもっとも奇妙なものの一つが、反物質です。空想科学の映画に出てきそうなものに聞こえますが、本当に存在していて、その発見は、科学がときにどのように進むのかを示すよい例です。1930年ごろ、ある物理学者が、とても速く動く電子のふるまいを描き出す方程式に取り組んでいました。その方程式は、思いがけないことを言っているように見えました。電子と同じ重さで、反対の電気を帯びた、電子の双子がありうるように見えたのです。

はじめのうち、多くの物理学者は、これをどう受けとめればよいのかわかりませんでした。数学のただの奇妙な性質にすぎないのかもしれない、と。そして1932年、宇宙からやってくる粒子が残す跡を写真に撮っていた若い研究者が、反対向きに曲がる跡を見つけました。それは電子のような粒子でしたが、プラスの電気を帯びていました。双子は本当に存在したのです。それは陽電子と名づけられました。のちに科学者たちは、どの種類の粒子にもこうした鏡の双子があることを見つけました。そうした双子をまとめて、反物質と呼びます。

反物質は、物理学者だけの物語ではありません。今日では実験室でつくられていて、ある病院では、それを毎日の仕事で使っています。ある種類の医療用の検査では、患者さんに、体の中で陽電子を出す特別な物質を、注意深く管理されたごく少ない量だけ投与します。陽電子がふつうの電子と出会うと、二つは消えて小さなエネルギーのひらめきに変わり、患者さんのまわりにある機械がそのひらめきをとらえます。医師たちは、そうした検査を使って、体の各部がどのようにはたらいているのかを見るのです。今夜もどこかで、夜勤の看護師や技師が、まさにそうした検査の準備をしているかもしれません。

その消えてしまうふるまいが、今夜の謎を解く鍵です。粒子がその反物質の双子と出会うと、どちらも消えて、エネルギーだけが残ります。そして熱い若い宇宙では、粒子とその双子は、エネルギーからつくられてはまたこわされることを、たえずくり返していました。もし物質と反物質がまったく同じ量だけあったとしたら、宇宙が冷えていくにつれて、それらは出会っておたがいを完全に消し去ってしまったでしょう。光のほかには何も残らなかったはずです。星も、惑星も、人もいなかったでしょう。

けれども、何かが残りました。私たちにはまだ理由がわからないのですが、物質のほうがほんのわずかに多かったのです。およそ十億組につき、粒子が一つ多いくらいでした。大きな出会いが終わったとき、組になっていたものは光に変わり、わずかな余りが残りました。今日私たちが見ているものすべて、すべての星とすべての銀河は、そのごくわずかな残りものからできているのです。なぜ宇宙が反物質よりも少しだけ多く物質をつくったのかは、物理学の大きな未解決の問いの一つです。科学者たちは答えを探していますが、まだだれにもわかっていません。

今日の物理が止まるところ

さて、サミの質問の二つめの部分にやってきました。もうだれにもわからない、というところはあるのでしょうか。はい、あります。最初の百万分の一秒をこえてさらにフィルムを逆回ししつづけると、宇宙は、私たちの知るかぎり限りなく、熱く、密度が高くなっていきます。あるところで、それはあまりにも熱く、あまりにも密度が高くなって、自然についての私たちのもっともすぐれた二つの描き方が、もうかみ合わなくなってしまうのです。

一つめの描き方は、アインシュタインの重力の理論です。惑星や星や銀河のような大きなものがどのように動くのか、そして空間そのものがどのように伸びることができるのかを説明してくれます。二つめは、原子やクォークのような、とても小さなものの世界を説明する理論で、物理学者は量子論と呼んでいます。どちらの理論も、自分の受けもちの範囲ではとてつもなくよくはたらきます。どちらも何度も確かめられてきました。けれども、いちばん最初の瞬間、宇宙全体が、距離の上ではとてつもなく小さく、しかもエネルギーの上ではとてつもなく重かったときには、両方の理論が同時に必要になるはずです。そして、その二つを、そこではたらく一つの理論にまとめる方法は、まだだれにも見つかっていないのです。

この問題は、こんなふうに思い描くことができます。とてもよくできた地図が二枚あると想像してみてください。一枚は、山や川もふくめて国全体を描いていますが、町より小さなものは何も描かれていません。もう一枚は、一本の通りを一軒ずつ描いていますが、その外側のことは何も描かれていません。どちらの地図も、それぞれの目的にはすばらしいものです。けれども、とてつもなく広く、しかも細かなものでいっぱいの場所を通りぬけなければならないとしたら、どちらの地図も一枚だけでは足りません。そして、その二枚を合わせた地図は、まだだれにも描かれていないのです。

ですから、いちばん最初の瞬間には、今日の物理ははたらかなくなります。その瞬間はあまりにも短いので、それを表すふつうのことばはありません。百万分の一秒よりもはるかに短く、どんな時計でもけっして測れないほど短いのです。そのとき何が起きたのか、そして「そのとき」ということばにそもそも意味があるのかどうかも、わかっていません。いつかそれを描き出せるかもしれない新しい理論に取り組んでいる科学者たちもいます。その考えの中には興味深いものもありますが、どれもまだ証拠によって確かめられてはいません。

このことは、はっきり言っておくことが大切です。まちがって言われることが多いからです。ビッグバンの理論は、いちばん最初の瞬間を描き出しているのではありません。描き出しているのは、そのあとに起きたことです。熱くて密度の高い若い宇宙が、どのように膨張して冷え、最初の元素をつくり、いちばん古い光を解き放ち、のちに星や銀河をつくったのか、ということです。物語のその部分は、多くの種類の証拠によって支えられています。最初の瞬間そのもの、そしてその前に何があったのかという問いは、どれも、まだ私たちの知っていることの外にあるのです。

これは恥ずかしいことではありません。よい地図は、どこで終わっているのかについて正直です。昔の船乗りの地図には、まだ探検していない場所に空白が残されていることがありました。そうした空白は、失敗ではありませんでした。招待状だったのです。同じように、宇宙のいちばん最初にある空白は、科学全体の中でもっとも興味深い場所の一つであり、多くの人々が、その一部でも埋めようと、根気強く取り組んでいるのです。

サミへのメッセージ

暗い海の上のどこかで、ヌールはようやく眠気がやってくるのを感じました。眠りに落ちる前に、彼女はタブレットに手をのばし、もう休憩に入っているころのサミにメッセージを書きました。「もうだれにもわからないところはあるのかって聞いたよね。あるよ。最初の百万分の一秒より前にさかのぼるほど、確かなことは少なくなっていって、いちばん最初の瞬間のことは、だれにもまったくわからない。いちばんすぐれた科学者たちにもね。わからなくても、いいんだよ」

サミは少しあとで返事をくれました。自分の上司も何もかも知っているわけじゃないのに、知っているふりをするんだ、だから科学者たちのほうが好きだな、と書いてありました。ヌールは寝室の暗がりの中でほほえみました。それからタブレットの電源を切り、ファンのうなる音に身をまかせて眠りに落ちていきました。

仕事のあとの夜には、あなた自身の頭も、もう終わった一日をふり返りながら、なかなか止まらないことがあるかもしれません。そんな夜には、宇宙でさえ、だれにもすっかりは理解されていないはじまりを持っているのだと思い出すことに、不思議ななぐさめがあります。すべての問いに、朝までに答えが必要なわけではありません。一生のあいだ、そっと抱えていられる問いもあり、それでもその問いは、よい道づれでいてくれるのです。

よくある誤解

科学者は「時刻ゼロ」、つまり宇宙のいちばん最初の瞬間に何が起きたのかを正確に知っている、と思っている人はたくさんいます。そうではありません。今夜見てきたように、私たちのもっともすぐれた理論は、いちばん最初の瞬間にははたらかなくなり、そこではたらく理論は、まだだれにも見つかっていません。科学者たちは、一秒のごくわずかな一部がたったあとから何が起きたのかを、自信を持って描き出すことができ、時代があとになるほど、その自信は大きくなります。けれども、最初の瞬間そのものはまだわかっておらず、誠実な科学者たちはそう言っています。

また、反物質は空想科学がつくり出したものにすぎない、と思っている人もたくさんいます。反物質は本当に存在します。科学者たちは実験室で少しずつそれをつくっていますし、反物質の粒子は宇宙から自然にやってきますし、病院の検査の中には、それを毎日使っているものもあります。本当なのは、今日の宇宙では反物質がとてもめずらしい、ということです。そのほとんどすべてが、ずっと昔に物質と出会って消えてしまったからです。日々の暮らしの中で反物質に出会うことがけっしてないのも、物質のわずかな余りがそれほど大切な謎であるのも、そのためです。

最後に、「宇宙はとても小さかった」というのは、宇宙が、より大きな何もない空間の中に置かれた、光る玉のような小さなものだったという意味だ、と想像している人もたくさんいます。科学者が言っているのは、そういうことではありません。宇宙が置かれるための外側の空間はなかったのです。科学者が、宇宙は小さかったと言うとき、それは、宇宙の中にあるすべてのもののあいだの距離が今日よりもずっと短く、何もかもがとても近くに詰めこまれていて、とても熱かった、という意味です。宇宙は、空間の中へ膨張していったのではありません。空間そのものが伸びたのです。次の夜には、ふたたび前へ進み、いちばん古い光のあとの、静かで暗い時代へ向かいます。宇宙が最初の星を待っていた時代です。