時間とは何か？そしてそれは常に前進するのか？

時間が逆方向に流れる様子を想像してみてください。人々は年老いるのではなく若返り、長い人生をかけて徐々に若返り――つまり、これまで知っていたことをすべて忘れ去る――を経て、両親の目に輝く光としてこの世を去るのです。これはSF作家フィリップ・K・ディックの小説に描かれた時間ですが、驚くべきことに、時間の方向は宇宙学者が取り組んでいる問題でもあります。

私たちは時間に一定の方向があると当然のこととして受け入れていますが、物理学者はそうは考えていません。ほとんどの自然法則は「時間可逆性」を持ち、つまり時間が逆方向に流れると定義したとしても、同じように機能します。では、なぜ時間は常に前進するのでしょうか？そして、これからも常に前進し続けるのでしょうか？

時間には始まりがあるのでしょうか？

いかなる普遍的な時間概念も、究極的には宇宙そのものの進化に基づいていなければなりません。宇宙を見上げると、過去に起こった出来事を見ていることになります。それが私たちに届くまでには光速が必要です。実際、最も単純な観察でさえ、宇宙の時間を理解するのに役立ちます。例えば、夜空が暗いという事実です。もし宇宙に無限の過去があり、無限の広がりがあるなら、夜空は完全に明るく、常に存在していた宇宙の無数の星々からの光で満たされているはずです。

アルバート・アインシュタインを含む科学者たちは長らく、宇宙は静止した無限の宇宙であると考えていました。しかしその後の観測により、宇宙は実際には膨張しており、しかも加速膨張していることが示されました。これは、宇宙がビッグバンと呼ばれるよりコンパクトな状態から始まったことを意味し、時間には始まりがあることを示しています。実際、十分に古い光を探せば、ビッグバンの痕跡である宇宙マイクロ波背景放射さえも観測できます。このことに気づいたことが、宇宙の年齢を決定する第一歩となりました（下記参照）。

しかし、ここに落とし穴があります。アインシュタインの特殊相対性理論によれば、時間は相対的です。つまり、あなたが私に対して速く動けば動くほど、私の時間感覚に比べて、あなたの時間は遅く流れます。つまり、膨張する銀河、回転する星、渦巻く惑星からなる私たちの宇宙では、時間の感じ方は人それぞれです。過去、現在、未来のすべては相対的なのです。

では、私たち全員が同意できる普遍的な時間は存在するのでしょうか?

宇宙のタイムライン。デザイン：Alex Mittelmann、Coldcreation/wikimedia、 CC BY-SA

宇宙は平均してどこでも同じであり、どの方向から見ても同じように見えることから、「宇宙時間」が存在することが判明しました。それを測定するには、宇宙マイクロ波背景放射の特性を測定するだけで十分です。宇宙論者はこれを用いて宇宙の年齢、つまり宇宙年齢を決定しました。その結果、宇宙の年齢は137億9900万年であることが判明しました。

時の矢

つまり、時間はビッグバンの時に始まった可能性が高いということです。しかし、一つだけ頭から離れない疑問が残ります。それは、時間とは一体何なのか、ということです。

この問いを解き明かすには、空間と時間の基本的な性質を理解する必要があります。空間という次元では、人は前進も後退もできます。通勤者は毎日これを経験しています。しかし、時間は違います。時間には方向があり、常に前進し、決して後進することはありません。では、なぜ時間の次元は不可逆なのでしょうか？これは物理学における主要な未解決問題の一つです。

時間そのものが不可逆である理由を説明するには、自然界において同様に不可逆なプロセスを見つける必要があります。物理学（そして人生！）における数少ないそのような概念の一つは、物事は時間の経過とともに「整然としていない」傾向にあるということです。私たちはこれを、物事の秩序度を表すエントロピーと呼ばれる物理的性質を用いて説明します。

最初はすべての粒子が一隅に集まっていた（秩序だった状態）ガスの箱を想像してみてください。時間が経つにつれて、粒子は自然に箱全体を埋め尽くそうとします（無秩序な状態）。そして、粒子を秩序だった状態に戻すにはエネルギーが必要です。これは不可逆的なものです。オムレツを作るために卵を割るようなものです。一度広がってフライパンいっぱいに広がってしまうと、二度と元の卵型に戻ることはありません。宇宙も同じです。進化するにつれて、全体のエントロピーは増大していきます。

残念ながら、それは自然に解決することはないだろう。Alex Dinovitser/wikimedia 、 CC BY-SA

エントロピーは時間の矢を説明するのに非常に良い方法であることが分かりました。宇宙は、初期の比較的均一に広がる高温ガスの荒れ狂う海から、星、惑星、人間、そして時間に関する記事へと変化し、秩序が失われるどころか、むしろ秩序が増しているように見えるかもしれません。しかし、それでもなお、無秩序が増加している可能性はあります。これは、大きな質量に関連する重力が物質を一見秩序立った状態へと引き寄せている可能性があるためです。私たちが起こっていると考えている無秩序の増加は、何らかの形で重力場の中に隠されています。つまり、私たちが目にしていないにもかかわらず、無秩序が増加している可能性があるのです。

しかし、自然は無秩序を好む傾向があるのに、なぜ宇宙は最初からこれほど秩序だった状態から始まったのでしょうか？これは未だに謎とされています。一部の研究者は、ビッグバンは始まりではなく、時間の流れが異なる「並行宇宙」が存在する可能性があると主張しています。

時間は終わるのでしょうか？

時間には始まりがあったが、終わりがあるかどうかは、加速膨張を引き起こしているダークエネルギーの性質によって決まる。この膨張速度は最終的に宇宙を引き裂き、ビッグリップで終焉を迎えるかもしれない。あるいは、ダークエネルギーが崩壊し、ビッグバンを逆転させ、ビッグクランチで宇宙を終わらせるかもしれない。あるいは、宇宙は永遠に膨張し続けるかもしれない。

しかし、これらの未来シナリオのどれかが時間の終焉をもたらすのでしょうか？量子力学の奇妙な法則によれば、微小なランダム粒子が瞬間的に真空から飛び出すことがあります。これは素粒子物理学の実験で頻繁に見られる現象です。ダークエネルギーがそのような「量子ゆらぎ」を引き起こし、新たなビッグバンを引き起こし、私たちの時間軸を終わらせ、新たな時間軸を開始する可能性があると主張する人もいます。これは極めて憶測的で可能性は低いですが、ダークエネルギーを理解することで初めて宇宙の運命がわかるという確かな事実があります。

では、最も可能性の高い結果はどうなるのでしょうか？それは時が経てば分かるでしょう。