タイムトラベルの仕組み
ケビン・ボンソール、ロバート・ラム著
千年単位で時代を飛び越えるヴィクトリア朝の人々から、電話ボックスを飛び回って時空を旅するティーンエイジャーまで、「タイムトラベル」という言葉は、第四次元を移動することの意味について、私たちの想像力をかき立てる最も幻想的なイメージを呼び起こすことが多い。しかしもちろん、時空を旅するためにタイムマシンや凝ったワームホールなどが必要というわけではない。
お気づきかもしれませんが、私たちは皆、常に「タイムトラベル」をしているのです。最も基本的なレベルで言えば、時間とは宇宙における変化の速度であり――好むと好まざるとにかかわらず、私たちは常に変化し続けているのです。私たちは年を取り、惑星は太陽の周りを回り、物事は崩れていく。
私たちは時間の経過を秒、分、時間、年という単位で測りますが、だからといって時間が一定の速度で流れているわけではありません。実際、アインシュタインの相対性理論によれば、時間は普遍的なものではないとされています。川の水が水路の幅によって流れが速くなったり遅くなったりするのと同様に、時間は場所によって異なる速度で流れます。つまり、時間は相対的なものなのです。
しかし、誕生から死に至るこの一方通行の道のりにおいて、こうした変動は一体何が引き起こしているのだろうか？ その答えは、時間と空間の関係に尽きる。人間は、長さ、幅、深さという3つの空間次元の中で生き生きと活動している。時間は、最も重要な第四の次元としてこの構図に加わる。時間は空間なしでは存在できず、空間も時間なしでは存在できない。二つの存在は一つとして存在する。すなわち、時空連続体である。宇宙で発生する出来事は、空間と時間の両方を伴わなければならない。
この記事では、私たちの宇宙における現実的で日常的なタイムトラベルの方法に加え、第四次元を駆け抜けるような、より突飛な方法についても見ていきます。
未来への時間移動
年月を次の人よりも少し速く進めたいのなら、時空を活かさなければならない。GPS衛星は毎日これを成し遂げており、1日あたり0.3億分の1秒の誤差が生じている。軌道上では時間がより速く過ぎていく。なぜなら、人工衛星は地球の質量からより遠く離れているからだ。地表のこの場所では、惑星の重力が時間に作用し、わずかにその流れを遅らせている。
この現象を「重力による時間膨張」と呼びます。アインシュタインの一般相対性理論によれば、重力は時空の曲率であり、天文学者は質量の十分に大きな天体の近くを光が通過する様子を研究する際、この現象を頻繁に観測しています。例えば、特に巨大な恒星は、本来なら直進するはずの光線を曲げることがあり、これを「重力レンズ効果」と呼びます。
これは時間とどう関係しているのでしょうか？覚えておいてください。宇宙で起こるあらゆる事象は、空間と時間の両方を伴わなければなりません。重力は単に空間を引き寄せるだけでなく、時間をも引き寄せるのです。
時間の流れの微細な変化には気づかないでしょうが、十分な質量を持つ天体であれば、その影響は甚大です。例えば、私たちの銀河の中心にある超巨大ブラックホール「いて座A*」のような天体です。ここでは、太陽400万個分の質量が、特異点と呼ばれる単一の無限に高密度な点として存在している。このブラックホールの周りを（吸い込まれないように）しばらく周回していると、時間の流れは地球の半分になる。つまり、時間膨張により、5年間の旅を終えた頃には、地球では10年が経過していることに気づくだろう。
速度も、私たちが時間を体験する速度に影響を与えます。光速と呼ばれる、超えられない宇宙の速度制限に近づくほど、時間の流れは遅くなります。例えば、高速で走る列車内の時計の針は、静止している時計の針よりも遅く動きます。人間の体にはその違いは感じられませんが、旅の終わりには、高速で動いていた時計の針は、10億分の1秒ほど遅れていることになります。もしそのような列車が光速の99.999％に達するとしたら、駅では223年が経過する間に、車内ではわずか1年しか経過しないことになる。
事実上、この架空の通勤者は未来へと旅したことになる。では、過去はどうだろうか？想像しうる最速の宇宙船なら、時間を巻き戻すことができるのだろうか？
過去へのタイムトラベル
未来へのタイムトラベルは常に起こっているということが分かっています。科学者たちは実験でそれを証明しており、この考え方はアインシュタインの相対性理論の根本的な側面です。あなたは未来にたどり着くでしょう。問題は、その旅がどれほどの速さで進むかということです。では、過去への旅はどうでしょうか？夜空を見上げれば、その答えが見つかるはずです。
天の川銀河の幅は約10万光年あり、そのため、より遠くにある星からの光が地球に届くまでには数万年もの時間がかかることがあります。その光を目にするということは、本質的に時間を遡って見ていることになります。天文学者が宇宙マイクロ波背景放射を測定するとき、彼らは100億年以上も前の原始宇宙の時代を覗き見ているのです。しかし、これ以上のことが可能なのでしょうか？
アインシュタインの理論には、過去へのタイムトラベルを排除するものは何もない。しかし、ボタンを押して昨日に戻るという前提そのものが、因果律、すなわち原因と結果の法則に反している。私たちの宇宙で一つの出来事が起きれば、それは終わりのない一方向の出来事の連鎖の中で、さらなる別の出来事を引き起こすのだ。どのような場合でも、原因は結果に先立って生じる。別の現実、たとえば、殺害された被害者が撃たれる前に銃弾の傷で死亡してしまうような、現実とは異なる状況を想像してみてください。それは私たちが知る現実の法則に反するため、多くの科学者は過去へのタイムトラベルを不可能だと断じています。
アインシュタインの特殊相対性理論を支持する一部の科学者は、光速を超える移動を利用して過去へ遡るという構想を提唱している。結局のところ、物体が光速に近づくにつれて時間が遅くなるのであれば、その速度を超えれば時間が逆方向に流れることになるのではないか？もちろん、物体が光速に近づくにつれてその相対論的質量は増大し、光速に達した時点で無限大となる。無限大の質量をそれ以上に加速させることは不可能だ。ワープ速度技術は、時空の泡を宇宙空間に推進させることで、理論上は宇宙の速度制限を回避できるかもしれないが、それには莫大な、はるか未来のエネルギーコストが伴うことになる。
しかし、過去や未来へのタイムトラベルが、推測に基づく宇宙推進技術よりも、既存の宇宙現象に依存しているとしたらどうだろうか？ ブラックホールへとコースを設定しましょう。
ブラックホールとカーリング
ブラックホールの周囲を十分に長く周回すれば、重力による時間膨張によって未来へと飛ばされることになる。しかし、もしこの宇宙の巨人の口の中にまっすぐ飛び込んだらどうなるだろうか？ 多くの科学者は、ブラックホールがあなたを押しつぶしてしまうだろうと見ているが、ある特殊な種類のブラックホールだけはそうならないかもしれない。それが「カーブラックホール」、あるいは「カーリング」である。
1963年、ニュージーランドの数学者ロイ・カーは、回転するブラックホールに関する最初の現実的な理論を提唱した。この概念の鍵となるのは中性子星である。中性子星とは、マンハッタンほどの大きさでありながら太陽の質量を持つ、巨大な崩壊星のことだ。カーは、死にゆく星が中性子星の回転するリングへと崩壊した場合、その遠心力によって特異点へと変化するのを防ぐだろうと仮定した。ブラックホールに特異点が存在しないため、カーは中心部の無限の重力を恐れることなく、安全に内部へ進入できると考えた。
カーブラックホールが存在する場合、科学者たちは、私たちがそれを通り抜け、ホワイトホールから出てくる可能性があると推測している。これはブラックホールの排出口のようなものだと考えてほしい。ホワイトホールは、あらゆるものを重力に引き込むのではなく、すべてを押し出し、遠ざける――おそらく別の時間、あるいは別の宇宙へと送り出すだろう。
カーブラックホールはあくまで理論上の存在だが、もし実在するならば、冒険心あふれるタイムトラベラーに、過去や未来への片道切符を提供してくれるだろう。そして、極めて高度な文明であれば、こうしたタイムトラベルの手法を調整する手段を開発できるかもしれないが、「予測不能な」カーブラックホールが、あなたをいつ、どこへ送り届けるかは誰にも分からない。
ワームホール
過去や未来へと続く宇宙の近道として考えられるのは、理論上のカーブラックホールだけではありません。『スタートレック：ディープ・スペース・ナイン』から『ドニー・ダーコ』に至るまで、多くの作品で取り上げられ、広く知られるようになった、同じく理論上の「アインシュタイン・ローゼン橋」も考慮すべき存在です。しかし、もちろん皆さんはこれを「ワームホール」としてよくご存知でしょう。
アインシュタインの一般相対性理論は、あらゆる質量が時空を曲げるとしているため、ワームホールの存在を許容しています。この曲率を理解するために、2人がシーツを持ち上げてぴんと張っている様子を想像してみてください。もし1人がそのシーツの上に野球のボールを置くと、ボールの重みでボールはシーツの中央へと転がり、その点でシーツが曲がるでしょう。さて、同じシーツの端にビー玉を置くと、その曲率によってビー玉は野球ボールの方へと移動するでしょう。
この単純化された例では、空間は4次元ではなく2次元の平面として描かれています。このシーツを折り曲げ、上部と下部の間に隙間ができると想像してみてください。上部に野球ボールを置くと、曲率が形成されます。もし、上部の野球ボールの位置に対応する下部の点に、同じ質量の物体を置くと、その物体は最終的に野球ボールと合流することになります。これは、ワームホールが形成される仕組みに似ています。
宇宙空間において、宇宙のさまざまな部分に圧力を加える質量が、やがて結合して一種のトンネルを形成する可能性があります。このトンネルは、理論上、2つの異なる時間を結びつけ、その間を行き来することを可能にするでしょう。もちろん、予期せぬ物理的あるいは量子的な性質によって、そのようなワームホールの発生が妨げられる可能性もあります。また、仮に存在したとしても、それらは極めて不安定であるかもしれません。
天体物理学者スティーヴン・ホーキングによれば、ワームホールは宇宙で最も微小な環境である「量子泡」の中に存在する可能性がある。そこでは、微小なトンネルが絶えず現れては消え、まるで絶えず変化する「蛇と梯子」ゲームのように、離れた場所や時間を一瞬だけ結びつけている。
このようなワームホールは、人間のタイムトラベラーにとっては小さすぎて、また存在時間が短すぎるかもしれない。しかし、いつの日か、我々はそれらを安定化させ、拡大させる方法を編み出すことができるのだろうか？ホーキングによれば、ある種の「フィードバック」に備える覚悟さえあれば、それは間違いなく可能だという。もし、折りたたまれた時空を通るトンネルの寿命を人為的に延ばそうとすれば、放射線のフィードバックループが発生し、オーディオのフィードバックがスピーカーを壊すのと同じように、そのタイムトンネルを破壊してしまう可能性がある。
コズミック・ストリング
ブラックホールやワームホールについてはすでに触れてきましたが、理論上の宇宙現象を利用したタイムトラベルの手段は、他にも存在します。この手法については、1991年に「コズミックストリング」の概念を提唱した物理学者J・リチャード・ゴット氏の説に目を向けましょう。その名の通り、コズミックストリングとは、一部の科学者が宇宙の初期に形成されたと信じている、糸のような物体です。
これらのストリングは、原子よりも細く、莫大な圧力にさらされながら、宇宙全体に張り巡らされている可能性がある。当然のことながら、これはストリングの近くを通過するあらゆる物体に強い重力を及ぼすことを意味し、宇宙ストリングに結びつけられた物体は驚異的な速度で移動し、時間膨張の恩恵を受けることができる。2本の宇宙ストリングを互いに近づけたり、1本のストリングをブラックホールの近くに伸ばしたりすることで、時空を十分に歪ませ、「閉じた時様曲線」と呼ばれるものを生成できるかもしれない。
2本の宇宙ストリング（あるいはストリングとブラックホール）が生み出す重力を利用すれば、宇宙船は理論上、過去へと自らを推進させることができる。そのためには、宇宙ストリングをループ状に巻き付く必要がある。
しかし、量子弦理論は極めて仮説的なものです。ゴット自身も、たった1年でも過去に遡るには、銀河全体の質量エネルギーの半分を含む弦（ストリング）のループが必要になると述べています。つまり、タイムマシンを動かすためには、銀河にある原子の半分を分裂させなければならないということです。そして、他のタイムマシンと同様、そのタイムマシンが作られた時点より過去に遡ることはできません。
それから時間パラドックスもありますね。
タイムトラベルの逆説
悪い知らせだ、タイムトラベルの暗殺者よ。おじいちゃんは手出し禁止だ。
先ほど述べたように、因果関係が絡むと、過去へのタイムトラベルという概念は少し曖昧なものになってしまう。少なくともこの宇宙においては、「原因は結果に先立つ」ものであり、それがどんなに綿密に練られたタイムトラベルの計画でさえ台無しにしてしまうのだ。
まず第一に、もし200年前にタイムトラベルしたとしたら、あなたは自分が生まれる前の時代に現れることになる。ちょっと考えてみてほしい。時間の流れにおいて、結果（あなた）が原因（あなたの誕生）よりも先に存在することになるのだ
（祖父のパラドックス）ここで何が起きているのかをよりよく理解するために、有名な「祖父のパラドックス」を考えてみよう。あなたはタイムトラベルをする暗殺者で、標的がたまたま自分の祖父だとしよう。そこで、最も近いワームホールを通って飛び出し、若々しい18歳の父の父に近づいていく。レーザーブラスターを構えるが、引き金を引いたとき、一体何が起こるだろうか？
考えてみてください。あなたはまだ生まれていません。あなたの父親も同様です。もし過去で自分の祖父を殺せば、彼には息子が生まれません。その息子にはあなたが生まれず、あなたはタイムトラベルをする暗殺者という仕事に就くこともありません。引き金を引くあなたという存在自体が生まれなくなるため、一連の出来事全体が打ち消されてしまうのです。これを「不整合な因果ループ」と呼びます。
一方、一貫性のある因果ループという概念も考慮しなければならない。同様に考えさせられるが、このタイムトラベルの理論モデルにはパラドックスが存在しない。物理学者ポール・デイヴィスによれば、そのようなループは次のように展開するかもしれない。ある数学教授が未来へ旅し、画期的な数学定理を盗む。その後、教授はその定理を有望な学生に教える。そして、その有望な学生は成長し、まさに教授が当初定理を盗んだ相手その人となる。
さらに、パラドックスに近い状況において確率を歪める「事後選択型」のタイムトラベルモデルも存在する。これはどういうことか？ もう一度、タイムトラベルをする暗殺者の立場になって考えてみよう。このタイムトラベルモデルでは、あなたの祖父は事実上、死なないことになる。引き金を引いても、レーザーは誤作動するだろう。あるいは、絶妙なタイミングで鳥の糞が落ちてくるかもしれないが、何らかの量子ゆらぎが起こり、パラドックスが生じるのを防いでくれるのだ。
しかし、もう一つの可能性もある。あなたが旅立つ未来や過去は、単なるパラレルワールドに過ぎないという量子論的な解釈だ。それを別の「砂場」だと考えてみてほしい。その中では好きなだけお城を築いたり壊したりできるが、自分のいる元の砂場には微塵の影響も及ばない。ですから、もしあなたが旅した過去の自分が別のタイムラインに存在しているのなら、祖父を冷酷に殺したところ、もちろん、これは旅をするたびに新しいパラレルワールドにたどり着き、元の砂場には二度と戻れないかもしれないことを意味するかもしれません。
混乱してきましたか？ タイムトラベルの世界へようこそ。
