「暗黒物質」は存在しない？ 大胆な仮説を提唱した物理学者の長き闘い

科学者たちは80年にわたり、「銀河や宇宙にある物体が、目に見えない何かに引き寄せられているように見える」という謎に頭を抱えてきた。理論上存在するはずのこの「暗黒物質（ダークマター）」の総質量は、目に見える全物質の総質量の約5倍に相当すると考えられている。そして、これまで多くの物理学者が、この目に見えない物質の正体を必死で探してきた。

しかし、昨年末までのいくつかの新発見を受けて、「暗黒物質は結局存在しないのではないか」という、嫌われ続けてきた議論が再浮上した。これは暗黒物質のような未確認物質の存在がなくとも、天体の不規則な動きを説明することができるとする主張だった。むしろ宇宙規模では、重力そのものがニュートンやアインシュタインの予想とも異なる働きをするというのだ。

暗黒物質の存在を否定する説を提唱したのは、アムステルダム大学の理論物理学者、エリック・ヴァーリンデだ。彼は大胆かつ先見的なアイデアで有名な研究者である。ヴァーリンデは2016年11月7日にオンラインで51ページにわたる論文を発表した。

暗黒物質は「ホログラム」だった？

彼はこの論文のなかで、重力は量子相互作用の副産物であるとし、暗黒物質に起因するとされてきた特別な重力は、宇宙の膨張を加速していると考えられている「暗黒エネルギー（ダークエネルギー）」の作用であるとした。ヴァーリンデいわく、暗黒物質とは目に見えない粒子の集まりではなく、普通の物質と暗黒エネルギーの相互作用の結果なのだという。

自身の主張を論理的に説明するために、ヴァーリンデは有力な理論物理学者の間で取り沙汰されている、重力の起源に関するある急進的な見方をとり入れた。アインシュタインは重力を、物質の存在によってつくりだされた時空の歪みが生み出すものと定義した。それに対してこの新しいアプローチでは、重力は単純な相互作用から発展した創発現象であるとしている。

この理論では、時空間とそのなかにある物質は、すべて量子ビット（「クビット」と呼ばれる）の連鎖から生じるホログラムである。コンピューターゲームにたとえると、ゲーム中の3D世界が「0」と「1」からなる古典ビットでつくられるのと同じようなものだ。この理論をもとにヴァーリンデは、暗黒エネルギーとは宇宙をエンコードしているクビットに由来するものではないかと考えた。暗黒エネルギーが大規模なスケールで物質と相互作用することで、暗黒物質という「幻」をつくりだすというのだ。

動画で自己紹介するヴァーリンデ。彼は2011年、同国最高の科学賞であるスピノザ賞を受賞している。

この考え方では、ねじれた曲線の時空とその中にある物質すべては、純粋な量子情報、すなわちクビットに格納されたデータの幾何表現であるとされる。古典ビットとは異なり、クビットは2つの状態（0と1）を同時にとることができる。そして互いにもつれ合ったエンタングルメント（量子もつれ）状態のクビット同士は、どれほど遠く離れていても、片方のクビットの状態が他方の状態を決定する。逆もまた然りである。

物理学者たちは、このクビットの量子もつれの構造を、関連する時空幾何学に数学的に変換する規則を解明し始めた。例えば、最も近接したクビットと量子もつれを起こしたクビットの配列は、平坦な空間をエンコードする可能性がある。一方で、より複雑な量子もつれのパターンは、クォークや電子のような物質粒子を生じさせ、その質量は時空を湾曲させて重力を生成する。

「目下のところ、このホログラフィック原理によるアプローチが量子重力を理解する最良の方法です」と、このテーマについて有力な研究を行ったブリティッシュ・コロンビア大学の物理学者、マーク・ファン・ラームスドンクは話す。

「暗黒エネルギーの存在」で説明がつくか

新しい論文のなかでヴァーリンデは、暗黒物質の幻想を引き起こすのは、アインシュタインの一般相対性理論の一部をなす「ド・ジッター特性」であると推測している。この特性に基づくと、時空は加速度的に膨張しているとされる。それには、時空をそれ自体から引き離すようなエネルギー、つまり暗黒エネルギーで時空が満たされている必要がある。ヴァーリンデは暗黒エネルギーを熱エネルギーとしてモデル化し、われわれの宇宙が励起状態まで加熱されたと仮定した（対照的に、反ド・ジッター空間は基底状態にあるシステムのようなものとされている）。

ヴァーリンデはこの熱エネルギーを、基礎をなすクビット間の長距離相関（量子もつれ）と関連づけ、もつれ合ったペアを振り離すためにクビットが揺すられていると考えた。この長距離相関は物質が存在することによって妨げられ、時空の領域から暗黒エネルギーを取り除こうとする。すると、暗黒エネルギーはこの空間に戻ろうとして、物質に対して引力に相当する一種の弾性応答をはたらかせるのだ。

長距離相関の性質により、この弾性応答は、時空が大規模になるほど大きな影響力をもつ。ヴァーリンデは、これによって銀河の回転曲線が生じ、ある時点で「逆2乗の法則」から逸脱し始めるだろうと推定している。

その真偽はいかに

ファン・ラームスドンクは、ヴァーリンデの考えは「間違いなく重要な方向性を示す」ものだと指摘した。その一方で、量子情報理論や熱力学、凝縮系物理学、ホログラフィー、天体物理学のすべてに関連性があると言うには早すぎるともしている。いずれにしても、ファン・ラームスドンクは、「この前提は確かに興味深いものです。これが正しくて有意義な理論なのかを判断できるようにしたいです」と話した。

ハーヴァード大学とブランダイス大学でホログラフィーを研究しているブライアン・スウィングルは、ヴァーリンデのこの理論のある問題を指摘した。それは、彼の理論には反ド・ジッター空間で構築できるような具体的なモデルがなく、証明できない空論と指摘される余地を残していることだ。

スウィングルは「公平のために言うと、わたしたちは自分たちがいる重力宇宙とはあまり関係のない、より限定された状況下で研究を行うことによって、進歩を得ました」と話す。「ただ、自分たちのいる宇宙について研究する必要があることも確かです。彼の新しい論文により、ほかの進歩の手がかりや考えが提供されることになるのではと、希望を抱いています」

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TEXT BY NATALIE WOLCHOVER