時間は、現実の最も基本的な要素のように感じられる。秒が刻まれ、日が過ぎ去り、惑星の運動から人間の記憶に至るまで、すべてが単一の不可逆的な方向に展開していくように見える。私たちはまさにその順序で生まれ、そして死ぬ。時間を軸に人生を設計し、執拗に時間を計り、過去から未来へと途切れることのない流れとして体験する。時間が前進することはあまりに明白であり、それに疑問を抱くことはほとんど無意味に思えるほどだ。
しかし、1世紀以上にわたり、物理学は時間が実際に何であるかを説明するのに苦慮してきた。この苦闘は哲学的な揚げ足取りではない。それは科学における最も深遠な問題の核心に位置している。
現代物理学は、それぞれ異なる、しかし等しく重要な枠組みに基づいている。一つはAlbert Einsteinの一般相対性理論で、これは惑星のような巨大な物体の重力と運動を記述する。もう一つは量子力学で、これは原子や粒子の微小宇宙を支配している。そしてさらに大きなスケールでは、宇宙論の標準モデルが宇宙全体の誕生と進化を記述している。これらすべてが時間に依存しているが、その扱いは互いに矛盾しているのだ。
物理学者がこれらの理論を単一の枠組みに統合しようとすると、時間はしばしば予期せぬ、厄介な振る舞いを見せる。ある時は引き伸ばされ、ある時は遅くなる。時には完全に消滅してしまうことさえある。
Einsteinの相対性理論は、実際、時間に対する我々の日常的な直感への最初の大きな打撃だった。Einsteinが示したように、時間は普遍的ではない。重力や運動によって、時間は異なる速度で進む。相対的に動く二人の観測者の間では、どの出来事が同時に起こったかについて意見が一致しないだろう。時間は伸縮自在なものとなり、空間と織り合わさって時空と呼ばれる4次元の布を構成するようになった。
量子力学は事態をさらに奇妙なものにした。量子論において、時間は理論が説明するものではなく、単に仮定されているだけである。量子力学の方程式は、システムが時間に対してどのように発展するかを記述するが、時間そのものは外部パラメータ、つまり理論の外側に存在する背景時計のままなのである。
この不一致は、物理学者が重力を量子レベルで記述しようとする際に顕著になる。これは、主要な基本理論を結びつける待望の万物の理論を開発する上で極めて重要だ。しかし、そのような理論を構築しようとする多くの試みにおいて、時間は基本方程式からパラメータとして完全に消え失せてしまう。宇宙は凍結したように見え、変化を一切考慮しない方程式で記述されているのだ。
この難問は「時間の問題（problem of time）」として知られており、物理学の統一理論にとって最も根深い障害の一つであり続けている。宇宙論や素粒子物理学における目覚ましい進歩にもかかわらず、私たちは依然として、なぜ時間が流れるのかという明確な説明は未だに得られていない。
現在、1940年代にClaude Shannonによって開発された情報理論という数学的枠組みに基づく比較的新しい物理学のアプローチが、驚くべき答えを導き出し始めている。
エントロピーと時間の矢
物理学者が時間の方向を説明しようとする際、彼らはしばしばエントロピーと呼ばれる概念に目を向ける。熱力学第二法則は、無秩序さは増大する傾向にあると述べている。ガラスが落ちて粉々に砕け散ることはあっても、破片が自然に元通りになることは決してない。この過去と未来の非対称性は、しばしば時間の矢と同一視される。
この考え方は非常に大きな影響力を持ってきた。それは、私たちが過去を記憶しているのに未来を記憶していない理由を含め、多くのプロセスが不可逆である理由を説明している。宇宙がエントロピーの低い状態から始まり、進化するにつれてより混沌としているとすれば、時間が前進する理由を説明できるように思える。しかし、エントロピーだけでは時間の問題を完全に解決することはできない。
一つには、物理学の基本的な量子力学方程式は過去と未来を区別しない。「時間の矢」は、多数の粒子と統計的振る舞いを考慮したときにのみ現れる。これはまた、より深い疑問を提起する。なぜ宇宙はそもそもそのような低エントロピー状態で始まったのか？ 統計的には、宇宙が高エントロピーの状態になる可能性は低エントロピーの状態になる可能性よりも高い。部屋が整理整頓されている状態よりも散らかっている状態の方がより多くあるのと同じだ。では、なぜ宇宙はこれほどあり得ない状態から始まったのだろうか？
情報革命
過去数十年の間に、物理学において静かだが広範囲に及ぶ革命が起きている。かつては状態や確率を追跡するための抽象的な簿記ツールとして扱われていた情報が、物質や放射と同じように、それ自体が物理量として認識されるようになってきている。エントロピーがいくつの微視的状態が可能であるかを測定するのに対し、情報は物理的な相互作用によってそれらの可能性がいかに制限され、記録されるかを測定するものだ。
この変化は一夜にして起きたわけではない。熱力学、量子力学、重力の交差点における謎によって徐々に現れ、情報を単なる数学的なものとして扱うことで矛盾が生じ始めたのだ。
最も初期の亀裂の一つはブラックホール物理学に現れた。Stephen Hawkingがブラックホールは熱放射を放出することを示したとき、それは不穏な可能性を提起した。ブラックホールに落ちたものに関する情報が、熱として永久に失われるかもしれないという可能性だ。その結論は、情報の全体性が保存されることを要求する量子力学と対立した。
この緊張を解決するために、物理学者たちはより深い真実に直面せざるを得なくなった。情報はオプションではないのだ。もし私たちが量子力学を含む宇宙の完全な記述を望むなら、物理学の基礎を損なうことなく情報が単に消滅することはあり得ない。この認識は重大な結果をもたらした。情報には熱力学的コストがかかり、消去にはエネルギーが消費され、保存には物理的リソースが必要であることが明らかになったのだ。
並行して、重力と熱力学の間に驚くべき関連性が現れた。Einsteinの方程式は、時空の幾何学をエントロピーや情報と直接結びつける熱力学的原理から導出できることが示されたのである。この見方では、重力は基本的な力と全く同じようには振る舞わない。
その代わり、重力は物理学者が「創発的」と呼ぶもの、つまり、より根本的な構成要素から生じる、構成要素の総和よりも大きな何かを表す現象であるように思われる。温度を例にとろう。私たちは皆、温度を感じることができるが、根本的なレベルでは、単一の粒子が温度を持つことはできない。温度は根本的な特徴ではなく、多くの分子が集団的に運動する結果としてのみ現れるのだ。
同様に、重力も統計的プロセスから生じる創発的現象として記述できる。一部の物理学者は、重力自体が情報から創発する可能性さえ示唆しており、情報がどのように分布、エンコード、処理されるかを反映していると考えている。
これらのアイデアは、視点の根本的な転換を促す。時空を主要なものとして捉え、情報をその中に存在するものとして捉えるのではなく、情報こそが時空そのものを生み出すより根本的な要素なのかもしれないのだ。この研究を基に、私と同僚たちは、時空そのものが情報の記憶媒体として機能するという枠組みを探求してきた。そして、それは私たちの時間観に重要な影響を及ぼすものだ。
このアプローチでは、時空は相対性理論が示唆するような完全に滑らかなものではなく、離散的な要素で構成されており、それぞれが通過する粒子や場からの量子情報を記録する有限の容量を持っている。これらの要素はデジタル的な意味でのビットではなく、過去の相互作用の記憶を保持することができる量子情報の物理的なキャリアである。
それらをイメージするのに役立つ方法は、時空を微小な記憶保持セルで作られた材料のように考えることだ。結晶格子が時間的に以前に現れた欠陥を保存できるように、これらの微視的な時空要素は、そこを通過した相互作用の痕跡を保持することができる。それらは素粒子物理学の標準モデルで記述される通常の意味での粒子ではなく、素粒子物理学が説明する対象というよりは、素粒子物理学がその上で動作する、より基本的な物理的構造の層なのである。
これには重要な意味がある。もし時空が情報を記録するなら、その現在の状態は、今存在するものだけでなく、以前に起こったすべてを反映していることになる。より多くの相互作用を経験した領域は、より少ない経験しかしていない領域とは異なる情報の痕跡を持っている。この見方では、宇宙は単に変化する状態に適用される永遠の法則に従って進化するだけではない。宇宙は記憶しているのだ。
記録する宇宙
この記憶は比喩的なものではない。あらゆる物理的相互作用は情報の痕跡を残す。量子力学の基本方程式は時間的に前にも後ろにも実行できるが、現実の相互作用は決して孤立して起こることはない。それらは必然的に周囲を巻き込み、情報を外部に漏らし、何が起こったかの永続的な記録を残す。ひとたびこの情報がより広い環境に拡散してしまうと、それを復元するには単一のイベントだけでなく、その過程で引き起こされたあらゆる物理的変化を元に戻す必要がある。実際問題として、それは不可能だ。
これが、情報が消去できず、割れたカップが元に戻らない理由だ。しかし、その意味はより深い。原子の衝突であれ銀河の形成であれ、各相互作用は宇宙の構造に永続的な何かを書き込むのである。
この見方では、幾何学と情報は深く結びついていることがわかる。私たちの研究において、時空がどのように曲がるかは、Einsteinが教えたように質量とエネルギーだけに依存するのではなく、量子情報、特に量子もつれ（エンタングルメント）がどのように分布しているかにも依存することを示した。量子もつれは、空間の離れた領域にある粒子を不思議な形で結びつける量子プロセスであり、距離に関係なく情報を共有することを可能にする。そして、これらの情報のリンクは、物質と放射線が経験する有効幾何学に寄与する。
この観点からは、時空の幾何学は、ある瞬間に存在するものへの反応であるだけでなく、何が起こったかへの反応でもある。多くの相互作用を記録した領域は、平均して、より強く曲がり、より強い重力を持つかのように振る舞う傾向がある。これは、より少ない相互作用しか記録していない領域と比較した場合のことだ。
この再構成は、時空の役割を微妙に変化させる。時空はイベントが展開する中立的な舞台ではなく、能動的な参加者となる。それは情報を保存し、将来のダイナミクスを制約し、新しい相互作用がどのように起こり得るかを形作る。これは自然と、より深い疑問を提起する。もし時空が情報を記録するなら、時間は最初から仮定されるのではなく、この記録プロセスから創発するのではないか？
情報から生じる時間
最近、私たちはこの情報的視点を時間そのものにまで拡張した。時間を基本的な背景パラメータとして扱うのではなく、時間的順序は不可逆的な情報の刷り込みから創発することを示した。この見方では、時間は物理学に手作業で追加されたものではない。それは情報が物理的プロセスに書き込まれ、既知の熱力学および量子物理学の法則の下で、全体として再び書き戻すことができないために生じるのだ。このアイデアは単純だが、広範囲に及ぶものである。
2つの粒子の衝突のようなあらゆる相互作用は、宇宙に情報を書き込む。これらの痕跡は蓄積される。それらは消去できないため、出来事の自然な順序を定義する。初期の状態とは、情報の記録が少ない状態だ。後期の状態とは、より多くの記録がある状態なのだ。
量子方程式は時間の方向を選ばないが、情報の拡散プロセスは時間の方向を選好する。ひとたび情報が広がると、それが局在していた状態に戻る物理的な経路は存在しない。したがって、時間的順序は方程式そのものではなく、この不可逆性に根ざしている。
この見方では、時間は物理的プロセスから独立して存在するものではなく、起こった出来事の累積的な記録だ。各相互作用は新しいエントリーを追加し、時間の矢はこの記録が増える一方であるという事実を反映している。
未来が過去と異なるのは、宇宙が未来について持ち得る情報よりも、過去についての情報をより多く含んでいるからだ。これは、特別な低エントロピーの初期条件や純粋に統計的な議論に依存することなく、なぜ時間が方向を持つのかを説明する。相互作用が起こり、情報が不可逆的に記録される限り、時間は進むのである。
興味深いことに、この蓄積された情報の刷り込みは、観測可能な結果をもたらす可能性がある。銀河スケールでは、残留情報の刷り込みは追加の重力成分のように振る舞い、新しい粒子を導入することなく銀河の回転を形成する。実際、ダークマター（暗黒物質）と呼ばれる未知の物質は、銀河や銀河団が目に見える質量だけから想定されるよりも速く回転している理由を説明するために導入された。
情報的な観点から見ると、この余分な重力は目に見えないダークマターから来るのではなく、時空自体が相互作用の長い歴史を記録しているという事実から来る。より多くの情報の痕跡を蓄積した領域は、運動と曲率により強く反応し、実質的に重力を増大させる。星がより速く公転するのは、質量が多いからではなく、星が移動する時空が過去の相互作用に関するより重い情報記憶を担っているからなのだ。
この観点からは、ダークマター、ダークエネルギー、そして時間の矢はすべて、情報の不可逆的な蓄積という単一の根本的なプロセスから生じている可能性がある。
時間を検証する
しかし、この理論を検証することはできるのだろうか？ 時間に関するアイデアは、科学的というより哲学的であると非難されることがよくある。時間は私たちが変化を記述する方法にあまりにも深く織り込まれているため、それを再考しようとする試みは抽象的なままでなければならないと思い込みがちだ。しかし、情報に基づくアプローチは具体的な予測を行い、観察、モデル化、そして場合によっては実験的に調査できるシステムに直接結び付ける。
ブラックホールは、情報が消去されることを示唆しているように見えるため、自然な検証の場を提供する。情報理論の枠組みでは、この矛盾は、情報は破壊されるのではなく、地平線を越える前に時空に刻み込まれるという認識によって解決される。ブラックホールはそれを記録するのだ。
これは時間にとって重要な意味を持つ。物質がブラックホールに向かって落下するにつれて、相互作用は激化し、情報の刷り込みは加速する。空間と時間の古典的な概念が地平線近くで崩壊し、遠くの観測者には速度が遅くなったり止まったりしているように見えても、情報は書き込まれ続けるため、局所的には時間は進み続ける。
ブラックホールがホーキング放射によって蒸発しても、蓄積された情報記録は消滅しない。代わりに、それは放射の仕方に影響を与える。放射はブラックホールの歴史を反映した微細な兆候を帯びているはずだ。言い換えれば、放射は完全にランダムなものではなく、その構造は時空に以前に記録された情報によって形作られている。このような兆候の検出は現在の技術では困難だが、将来の理論研究と観測研究にとって明確な目標となりえる。
同じ原理は、はるかに小さな制御されたシステムでも探求できる。量子コンピュータを用いた実験室での実験において、量子ビット（ビットの量子コンピュータ版）は、時空情報セルと同様に、有限容量の情報セルとして扱うことができる。研究者たちは、基礎となる量子方程式が可逆であっても、情報が書き込まれ、拡散し、検索される方法は、実験室内で実効的な時間の矢を生成できることを示している。これらの実験により、物理学者は宇宙論的あるいは天体物理学的なシステムを必要とせずに、情報の保存限界が可逆性にどのように影響するかを検証することができる。
同じ枠組みの拡張は、情報の刷り込みが重力に限られないことを示唆している。それは電磁気力や核力を含む自然界のすべての基本的な力にわたって役割を果たしている可能性がある。もしこれが正しければ、時間の矢は最終的に、重力的なものだけでなく、すべての相互作用がどのように情報を記録するかにたどり着くはずだ。これを検証するには、異なる物理プロセスにわたる可逆性や情報の復元に対する限界を探すことが含まれるだろう。
これらを総合すると、情報的時間は抽象的な再解釈ではないことがわかる。それはブラックホール、量子実験、基本的な相互作用を共有された物理的メカニズムを通じて結びつけるものであり、実験的な到達範囲が広がるにつれて探求され、制約され、潜在的に反証され得るものである。
時間が本当は何であるか
情報に関するアイデアは、相対性理論や量子力学に取って代わるものではない。日常的な条件下では、情報的時間は時計によって測定される時間と密接に一致する。ほとんどの実用的な目的において、お馴染みの時間の描像は極めてうまく機能する。違いが現れるのは、従来の記述が苦戦する領域においてである。
ブラックホールの地平線付近や宇宙の最初期の瞬間において、滑らかで外部的な座標としての通常の時間の概念は曖昧になる。対照的に、情報的時間は、相互作用が起こり情報が不可逆的に記録される限り、明確に定義されたままである。
これらすべてから、時間とは一体何なのかという疑問が湧いてくるかもしれない。この変化は、長年の議論を再構築するものだ。もはや問題は、時間は宇宙の根本的な構成要素であると仮定すべきかどうかではなく、より深い根底にあるプロセスを反映しているかどうかなのだ。
この見方では、時間の矢は情報を記録する物理的相互作用から自然に生じ、元に戻すことはできない。つまり、時間は物理学から切り離された神秘的な背景パラメータではない。それは宇宙が自らの力学を通して内部的に生成するものであり、究極的には現実の根本的な一部ではなく、情報といったより基本的な構成要素から生じる。
この枠組みが最終的な答えとなるか、あるいは踏み石となるかはまだ分からない。基礎物理学における多くのアイデアと同様に、それが理論と観測をどれほどうまく結びつけるかに基づいて、支持されるか否定されるかが決まるだろう。しかし、それはすでに視点の劇的な変化を示唆している。
宇宙は単に時間の中に存在するのではない。時間は、宇宙が絶えず自分自身の中に書き込んでいるものなのである。
