To answer this question,

この疑問に答えるため

humans come up with stories to describe the world.

人類は世界に関する さまざまな仮説を立てた

We test our stories and learn what to keep and what to throw away.

いろいろ検証するうちに 取捨選択が進んだ

But the more we learn,

でも理解が進むほど

the more complicated and weird our stories become.

仮説は複雑で 異様なものになり

Some of them so much so,

特にいくつかの理論は

that it's really hard to know what they're actually about.

あまりに複雑で理解が 難しくなってしまった

Like string theory.

たとえばひも理論のように

A famous, controversial and often misunderstood story,

有名で、物議をかもし、 いろいろ誤解されている

about the nature of everything.

「万物理論」もある

Why did we come up with it and is it correct?

結局のところ正しいのか?

Or just an idea we should chuck out?

それとも棄却すべきアイデアなのか?

To understand the true nature of reality,

宇宙の真の性質を知るには

we looked at things up close and were amazed.

モノにずっと近づいて 観察する必要がある

Wonderous landscapes in the dust,

塵の中の驚異の景観を

zoos of bizarre creatures,

奇怪な生物を拡大し

complex protein robots.

蛋白ロボットや

All of them made from structures of molecules

それらを構成する分子や

made up of countless even smaller things:

それらを構成する さらに小さなものは

Atoms.

原子だ

We thought they were the final layer of reality,

かつては原子が現実の 究極の層だと考えられたが

until we smashed them together really hard

原子どうしを強く ぶつけることで

and discovered things that can't be divided anymore:

それ以上分割できないもの

Elementary particles.

素粒子を発見した

But now, we had a problem:

ところが それにも問題が

They are so small that we could no longer look at them.

あまりに小さくて 見ることができない

Think about it: what is seeing?

見る、ということを 考えてみよう

To see something, we need light, an electromagnetic wave.

何かを見るためには 光、つまり電磁波が必要だ

This wave hits the surface of the thing

この波がモノの 表面に当たり

and gets reflected back from it into your eye.

反射したものが眼に入る

The wave carries information from the object

この波が対象の情報を運ぶ

that your brain uses to create an image.

脳はこれにより イメージを作る

So you can't see something without somehow interacting with it.

なので、なんらかの相互作用 抜きにモノを見ることはできない

Seeing is touching, an active process, not a passive one.

見ることは触れることであり、 能動的な過程なのだ

This is not a problem with most things.

ふつうはそれでも 何の問題もない

But particles are

ところが素粒子は あまりに小さく

But particles are very,

見るのに使う電磁波が

But particles are very, very,

大きすぎることになる

But particles are very, very, very small.

可視光線では 素通りしてしまう

So small that the electromagnetic waves we used to see

この問題を解決するために

are too big to touch them.

使う電磁波の波長を短くすると

Visible light just passes over them.

エネルギーが大きくなる

We can try to solve this by creating electromagnetic waves

大きなエネルギーで粒子に触れると

with more and much smaller wavelengths.

それを変化させてしまう

But more wavelengths, means more energy.

粒子を見ることで、 それを変えてしまう

So, when we touch a particle with a wave that has a lot of energy

我々には素粒子を 正確に測定できない

it alters it.

この事実は重要なので 名前がついている

By looking at a particle, we change it.

ハイゼンベルグの 不確定性原理だ

So, we can't measure elementary particles precisely.

量子力学の基本である

This fact is so important that it has a name:

すると素粒子はどう見えるのか

The Heisenberg uncertainty principle.

その性質は?

The basis of all quantum physics.

分からない

So, what does a particle look like then?

しいて観察するなら

What is its nature?

ぼやけた球形を 見ることはできるが

We don't know.

粒子そのものを見る ことはできない

If we look really hard,

存在を知ることが できるだけだ

we can see a blurry sphere of influence,

でもそうすると

but not the particles themselves.

素粒子の科学はどうなるのか

We just know they exist.

往々にしてそうなるように 新しい理論は

But if that's the case,

数学的な虚構

how can we do any science with them?

すなわち点粒子理論となった

We did what humans do and invented a new story:

粒子は空間の中の点だと いうことになった

A mathematical fiction.

電子は電荷と 質量を持つ点だ

The story of the point particle.

個々の素粒子は 見分けがつかない

We decided that we would pretend that a particle is a point in space.

こうして物理学者は 素粒子を定義して

Any electron is a point with a certain electric charge and a certain mass.

相互作用を計算できる ようになった

All indistinguishable from each other.

これは量子場理論と呼ばれ、 多くの問題を解決した

This way physicists could define them

素粒子物理学の標準モデルは すべてこれを土台にしており

and calculate all of their interactions.

多くの予測が導かれた

This is called Quantum Field Theory, and solved a lot of problems.

たとえば電子の性質が

All of the standard model of particle physics is built on it

検証された結果 その誤差は

and it predicts lots of things very well.

0,0000000000002 % 以下だった

Some quantum properties of the electron for example

なので、素粒子はほんとは 点ではないのだが

have been tested and are accurate up to

あたかも点のように 扱うことで

0,

宇宙のかなりよい 描像を得たのである

0,00

この理論は科学を 進めただけでなく

0,0000

我々の身の回りの実用技術の 進歩にも寄与した

0,000000

ところが大きな 問題があった

0,00000000

重力である

0,0000000000

量子力学ではすべての力は 粒子によって媒介される

0,000000000000

しかしアインシュタインの 一般相対性理論によれば

0,0000000000002 %.

重力は宇宙の他の力とは違う

So, while particles are not really points,

宇宙が演劇だとすると

by treating them as if they were,

素粒子は俳優だが

we get a pretty good picture of the universe.

重力は舞台背景なのだ

Not only did this idea advance science,

簡単に言うと、重力は 幾何学の理論なのだ

it also led to a lot of real-world technology we use everyday.

時空そのものの幾何学の

But there's a huge problem:

そのためには距離を絶対的な 正確さで記述する必要があるが

Gravity.

量子の世界では物事を正確に 測定する方法はないので

In quantum mechanics, all physical forces are carried by certain particles.

量子力学の中では重力に関する 理論がうまくいかないのだ

But according to Einstein's general relativity,

新しい粒子を仮定することで 重力を組み込もうとしても

gravity is not a force like the others in the universe.

数学的に破綻してしまう

If the universe is a play,

これは大問題だ

particles are the actors,

重力を量子物理学の標準理論に 組み込めれば

but gravity is the stage.

万物理論の完成だ

To put it simply, gravity is a theory of geometry.

そこで超賢い人たちが 新しい理論を思いついた

The geometry of space-time itself.

点より複雑なものは何だろうと 考えたのだ

Of distances, which we need to describe with absolute precision.

線だ

But since there is no way to precisely measure things in the quantum world,

線あるいはひも

our story of gravity doesn't work with our story of quantum physics.

ひも理論の誕生である

When physicists tried to add gravity to the story by inventing a new particle,

ひも理論のエレガントなところは

their mathematics broke down

たくさんの異なる素粒子を

and this is a big problem.

ひもの振動状態の違い として記述したことだ

If we could marry gravity to quantum physics and the standard model,

バイオリンの弦の振動の違いが たくさんの異なる音を生むように

we would have the theory of everything.

一本のひもがたくさんの 粒子を生むのだ

So, very smart people came up with a new story.

なにより重要なことは 重力が含まれることだ

They asked: What is more complex than a point?

ひも理論は宇宙の基本的な 力をすべて統一すると約束した

A line-

これは多くの興奮と 誤解を生んだ

A line or a string.

ひも理論は一躍 万物理論の候補となった

String theory was born.

困ったことに、ひも理論には

What makes string theory so elegant,

多くの付帯条件があった

is that it describes many different elementary particles

矛盾のないひも理論を 構成する数学は

as different modes of vibration of the string.

3つの空間次元と1つの時間次元を 持つこの宇宙ではうまくゆかない

Just like a violin string vibrating differently can give you a lot of different notes,

ひも理論は10次元を要求するのだ

a string can give you different particles

ひも理論が計算するのは 架空の宇宙なのか

Most importantly, this includes gravity.

そこで余分な6次元を取り除いて この宇宙の記述を試みた

String theory promised to unify all fundamental forces of the universe.

でも誰も成功しなかった

This caused enormous excitement and hype.

ひも理論が実験で検証できる 予測を生むこともなかった

String theory quickly graduated to a possible theory of everything

なので、ひも理論ではこの宇宙の 性質を説明できなかった

Unfortunately, string theory comes

この場合、ひも理論は

with a lot of strings attached.

まったく役立たずだと 言うこともできた

Much of the maths involving a consistent string theory

科学は実験と予測に 依拠しているのだから

does not work in our universe with its three spatial and one temporal dimensions.

それができないなら

String theory requires ten dimensions to work out.

なぜひもにこだわる 必要があるのか?

So, string theorists did calculations in model universes.

それは用い方次第だ

And then try to get rid of the six additional dimensions and describe our own universe

物理学は数学を基礎にしている

But so far, nobody has succeeded

2たす2は4だ

and no prediction of string theory has been proven in an experiment

どう感じるかに関係なく これは正しい

So, string theory did not reveal the nature of our universe.

ひも理論の数学は きちんと働く

One could argue that in this case

それがひも理論が依然として 役に立つ理由だ

string theory really isn't useful at all.

クルーズ船を作ることを 考えよう

Science is all about experiments and predictions.

ところが小さなこぎ船の 設計図しかないとする

If we can't do those,

そこにはたいへんな 違いがある

why should we bother with strings?

エンジンの違い、材料の違い、 スケールの違い

It really is all about how we use it.

でもこの2つは根本的には同じ

Physics is based on maths.

浮くモノだ

Two plus two makes four.

だからこぎ船の設計図を 研究することで

This is true no matter how you feel about it.

クルーズ船を作るうえでの 何かは学べるかもしれない

And the maths in string theory does work out.

ひも理論を使うことで

That's why string theory is still useful.

量子重力の疑問のいくつかに 答えられるかも

Imagine that you want to build a cruise ship,

なにしろ何十年も物理学者を 悩ませてきた疑問なのだから

but you only have blueprints for a small rowing boat.

ブラックホールは どう働くのか

There are plenty of differences:

あるいは 情報パラドックスについて

the engine,

ひも理論は正しい方向を さし示すかもしれない

the engine, the materials,

この精神で用いられたとき

the engine, the materials, the scale.

理論物理学者にとってひも理論は 重要なツールとなり

But both things are fundamentally the same:

数学や量子の世界の 新しい面を

Things that float.

発見するのに役に立った

So, by studying the rowing boat blueprints,

なので、ひも理論は

you might still learn something about how to build a cruise ship eventually.

万物理論ではないが

With string theory,

ちょうど点粒子理論のように

we can try to answer some questions about quantum gravity

すごく役に立つ虚構では あるのかもしれない

that have been puzzling physicists for decades.

宇宙の究極の理論は まだ分からないが

Such as how black holes work

我々は新しい仮説を 考案しつづけ

or the information paradox.

いつの日かそれを 知りたいものだ

String theory may point us in the right direction.

この動画はスイス国立科学財団の 支援を受け

When used in this spirit,

アレッサンドロ・スフォンドリーニの 科学的な助言を得て実現した

string theory becomes a precious tool for theoretical physicists

and help them discover new aspects of the quantum world

and some beautiful mathematics.

So, maybe the story of string theory

is not the theory of everything.

But just like the story of the point particle,

it may be an extremely useful story.

We don't yet know what the true nature of reality is

but we'll keep coming up with stories to try and find out.

Until one day,

Until one day, hopefully

Until one day, hopefully, we do know.

This video was supported by the Swiss National Science Foundation

and realized with the scientific advice of Alessandro Sfondrini.