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TED2016

Allan Adams: What the discovery of gravitational waves means

アラン・アダムス: 重力波発見が意味すること

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10億年以上前、彼方の銀河にある2つのブラックホールが逃れようのない螺旋運動に捉えられ、互いに引き寄せ合って衝突しました。理論物理学者アラン・アダムスは言います。「そのエネルギーのすべてが時空自体に取り込まれ、宇宙を重力の波で振るわせることになりました」。25年ほど前、科学者のグループがそのような重力波を見つけようとLIGO (ライゴ) と呼ばれる巨大なレーザー検出器を構築しましたが、予想されていた波はこれまで観測されませんでした。この圧倒されるような講演でアダムスが、物理学史上最も画期的な発見に繋がる想像もつかないほど微かな変化を2015年9月にLIGOが捉えたとき何が起きていたのか解説してくれます。

- Theoretical physicist
Allan Adams is a theoretical physicist working at the intersection of fluid dynamics, quantum field theory and string theory. Full bio

1.3 billion years ago,
遠い13億年の昔
00:12
in a distant, distant galaxy,
はるか彼方の銀河系で
00:16
two black holes locked into a spiral,
2つのブラックホールが
00:19
falling inexorably towards each other
逃れようのない
螺旋運動に捉えられ
00:22
and collided,
引き寄せ合って
衝突しました
00:25
converting three Suns' worth of stuff
太陽3つ分の物質が
00:26
into pure energy in a tenth of a second.
コンマ1秒の間に
純粋なエネルギーへと変わりました
00:29
For that brief moment in time,
その瞬間
00:33
the glow was brighter than all the stars
既知の宇宙の
00:36
in all the galaxies
すべての銀河の
星を合わせたよりも
00:39
in all of the known Universe.
明るい輝きを
放ちました
00:41
It was a very
とてつもなく
00:44
big
大きな
00:46
bang.
爆発です
00:47
But they didn't release
their energy in light.
しかしブラックホールですから
00:50
I mean, you know, they're black holes.
エネルギーが光として解放された
わけではありません
00:53
All that energy was pumped
into the fabric of space and time itself,
すべてのエネルギーが
時空そのものに取り込まれ
00:57
making the Universe explode
in gravitational waves.
宇宙を重力波で
振るわせることになりました
01:02
Let me give you a sense
of the timescale at work here.
ここで話している時間の規模を
確認しておきましょう
01:05
1.3 billion years ago,
13億年前というと
01:09
Earth had just managed to evolve
multicellular life.
地球ではようやく
多細胞生物が現れた頃です
01:11
Since then, Earth has made and evolved
それ以降 地球には
01:16
corals, fish, plants, dinosaurs, people
and even -- God save us -- the Internet.
珊瑚礁や魚や植物や恐竜や人間や
さらにはインターネットまで現れました
01:19
And about 25 years ago,
そして25年前には
01:26
a particularly audacious set of people --
とりわけ野心的な人々
MITのレイナー・ワイス
01:28
Rai Weiss at MIT, Kip Thorne
and Ronald Drever at Caltech --
カリフォルニア工科大のキップ・ソーンや
ロナルド・ドレーバーたちが
01:30
decided that it would be really neat
ブラックホールの
衝突などで生じる
01:36
to build a giant laser detector
重力波を検出する
01:37
with which to search
for the gravitational waves
巨大なレーザー検出器を
01:40
from things like colliding black holes.
作ったらいいんじゃないかと
思い立ちました
01:43
Now, most people thought they were nuts.
多くの人は常識外れな連中だと
思いましたが
01:46
But enough people realized
that they were brilliant nuts
それを 卓越した常識破りだと
認める人もたくさんいて
01:49
that the US National Science Foundation
decided to fund their crazy idea.
米国立科学財団が このぶっ飛んだアイデアに
研究費を出すことにしました
01:53
So after decades of development,
そして数十年におよぶ
01:58
construction and imagination
構想 開発 建設
02:01
and a breathtaking amount of hard work,
驚異的な努力の末に
完成させました
02:04
they built their detector, called LIGO:
その名も LIGO (ライゴ)
02:08
The Laser Interferometer
Gravitational-Wave Observatory.
レーザー干渉計
重力波観測所です
02:11
For the last several years,
この数年間に
02:16
LIGO's been undergoing
a huge expansion in its accuracy,
LIGOは精度を
大幅に上げて
02:17
a tremendous improvement
in its detection ability.
検出能力を飛躍的に高め
02:21
It's now called Advanced LIGO as a result.
これは改良型LIGOと
呼ばれています
02:24
In early September of 2015,
2015年9月初め
02:28
LIGO turned on for a final test run
LIGOは残っていた
細かな調整をしつつ
02:31
while they sorted out
a few lingering details.
最終試運転のため
稼働を始めました
02:33
And on September 14 of 2015,
そして2015年9月14日
02:37
just days after the detector
had gone live,
検出器が稼働を始めて
ほんの数日後
02:42
the gravitational waves
from those colliding black holes
あのブラックホール衝突からの
重力波が
02:46
passed through the Earth.
地球を通り過ぎました
02:50
And they passed through you and me.
私や皆さんの体を通り抜け
02:52
And they passed through the detector.
そしてLIGOの検出器を
通り抜けました
02:55
(Audio) Scott Hughes:
There's two moments in my life
(スコット・ヒューズの声) 人生で
これ以上に心動かされた体験は
02:59
more emotionally intense than that.
2度しかありません
03:01
One is the birth of my daughter.
娘が生まれたときと —
03:03
The other is when I had to say goodbye
to my father when he was terminally ill.
病床の父にお別れを
言わなければならなかったときです
03:04
You know, it was the payoff
of my career, basically.
これは自分の全仕事人生における
クライマックスでした
03:10
Everything I'd been working on --
it's no longer science fiction! (Laughs)
オレがこれまでずっとやってきたものは
もう空想科学じゃないんだって!
03:14
Allan Adams: So that's my very good friend
and collaborator, Scott Hughes,
(講演者) これは私の親友であり
共同研究者でもある
03:21
a theoretical physicist at MIT,
スコット・ヒューズ
MITの理論物理学者です
03:25
who has been studying
gravitational waves from black holes
彼はブラックホールからの
重力波や
03:27
and the signals that they could impart
on observatories like LIGO,
LIGOのような観測施設で
検出しうる信号を
03:30
for the past 23 years.
23年に渡って
研究してきました
03:34
So let me take a moment to tell you
what I mean by a gravitational wave.
ここで重力波とは何かを
少しお話ししておきましょう
03:36
A gravitational wave is a ripple
重力波というのは
03:41
in the shape of space and time.
時空の形に現れる
波紋のようなものです
03:44
As the wave passes by,
波が通るとき
03:47
it stretches space and everything in it
空間と その中の
あらゆるものが
03:49
in one direction,
同じ1つの方向に
引き延ばされ
03:51
and compresses it in the other.
他の方向に
押し縮められます
03:53
This has led to countless instructors
of general relativity
お陰で一般相対性理論を
教える教師は
03:55
doing a really silly dance to demonstrate
in their classes on general relativity.
教室でおかしなダンスを
する羽目になります
03:58
"It stretches and expands,
it stretches and expands."
「伸びて 広がる
伸びて 広がる」
04:02
So the trouble with gravitational waves
問題は 重力波が
極めて弱いということです
04:08
is that they're very weak;
they're preposterously weak.
馬鹿げているくらいに
弱いんです
04:10
For example, the waves that hit us
on September 14 --
たとえば 9月14日の重力波は —
04:13
and yes, every single one of you
stretched and compressed
そう ここにいる全員が
04:16
under the action of that wave --
重力波が来た時 引き延ばされ
圧縮されたんですよ —
04:21
when the waves hit, they stretched
the average person
伸縮の大きさは
平均的な人で
04:23
by one part in 10 to the 21.
10の21乗分の1ほどです
04:26
That's a decimal place, 20 zeroes,
これは小数点の後に
0が20個続いて
04:29
and a one.
1が来るという数字です
04:32
That's why everyone thought
the LIGO people were nuts.
だからこそ みんなLIGOに取り組む人々を
どうかしていると思ったんです
04:35
Even with a laser detector five kilometers
long -- and that's already crazy --
5kmの長さのレーザー検出器を使っても —
これだけで十分クレージーですが
04:39
they would have to measure
the length of those detectors
検出器の長さを
04:45
to less than one thousandth
of the radius of the nucleus
原子核の半径の
千分の1以下という精度で
04:49
of an atom.
測らなければならないんです
04:53
And that's preposterous.
途方もない話です
04:54
So towards the end
of his classic text on gravity,
重力論の有名な教科書の
終わりの方で
04:56
LIGO co-founder Kip Thorne
LIGOの設立者の1人である
キップ・ソーンが
05:00
described the hunt
for gravitational waves as follows:
重力波検出の難しさについて
こう語っています
05:04
He said, "The technical difficulties
to be surmounted
「そのような検出器を
構築するためには
05:07
in constructing such detectors
技術的に膨大な困難を
05:10
are enormous.
乗り越える必要があります
05:13
But physicists are ingenious,
しかし物理学者には
独創性があります
05:15
and with the support
of a broad lay public,
広く一般の人々からの
支援があれば
05:18
all obstacles will surely be overcome."
どんな困難も
乗り越えられるでしょう」
05:21
Thorne published that in 1973,
ソーンはこれを1973年
05:26
42 years before he succeeded.
成功の42年も前に
書いていたのです
05:29
Now, coming back to LIGO,
LIGOに話を戻すと
05:35
Scott likes to say that LIGO
acts like an ear
スコットが
よく言っているように
05:36
more than it does like an eye.
LIGOは 目よりは
耳に近いものです
05:39
I want to explain what that means.
どういうことかと言うと
05:41
Visible light has a wavelength, a size,
可視光の場合 波長は
05:43
that's much smaller
than the things around you,
身の回りにある物 —
05:46
the features on people's faces,
人の顔かたちや
携帯電話なんかより
05:48
the size of your cell phone.
はるかに小さなものです
05:50
And that's really useful,
これはとても有り難いことで
05:53
because it lets you make an image
or a map of the things around you,
いろんな所から来る
光を見るだけで
05:54
by looking at the light
coming from different spots
身の回りの物について
05:58
in the scene about you.
イメージや地図のようなものを
構成できます
06:00
Sound is different.
音だと話が違います
06:01
Audible sound has a wavelength
that can be up to 50 feet long.
可聴音の波長は
15mにもなり得ます
06:04
And that makes it really difficult --
そのため音で
子供の顔のような
06:07
in fact, in practical purposes,
impossible -- to make an image
関心ある物の形を
捉えるというのは
06:09
of something you really care about.
非常に難しく
06:12
Your child's face.
実用的に不可能です
06:14
Instead, we use sound
to listen for features like pitch
その代わり
音の場合には
06:16
and tone and rhythm and volume
高さや 音色や リズムや
大きさに耳を傾けることで
06:20
to infer a story behind the sounds.
音の背後にある物語を
推測します
06:24
That's Alice talking.
アリスが話しているな
06:28
That's Bob interrupting.
ボブが遮った
06:29
Silly Bob.
バカなやつ
06:31
So, the same is true
of gravitational waves.
重力波も同じです
06:33
We can't use them to make simple images
of things out in the Universe.
重力波で宇宙にある物の形を
単純に描き出すことはできません
06:37
But by listening to changes
しかし波の大きさや
06:42
in the amplitude and frequency
of those waves,
振動数の変化に
耳を傾けることで
06:44
we can hear the story
that those waves are telling.
波の語っている物語を
聞き取ることができます
06:47
And at least for LIGO,
LIGOの場合
06:52
the frequencies that it can hear
are in the audio band.
捉えられる振動数は
可聴帯域です
06:53
So if we convert the wave patterns
into pressure waves and air, into sound,
だから波のパターンを
空気の圧力波である音に変換すれば
06:58
we can literally hear
the Universe speaking to us.
宇宙が語っていることを
文字通り聞くことができます
07:03
For example, listening to gravity,
just in this way,
たとえば重力に
耳を傾けることで
07:07
can tell us a lot about the collision
of two black holes,
ブラックホールの衝突について
分かることが 沢山あります
07:11
something my colleague Scott has spent
an awful lot of time thinking about.
私の同僚のスコットが 多くの時間を
考えて過ごしてきたことです
07:13
(Audio) SH: If the two black holes
are non-spinning,
(スコットの声) 2つのブラックホールが
回転していない場合
07:17
you get a very simple chirp: whoop!
音は単純です
「ウゥーップ!」
07:20
If the two bodies are spinning
very rapidly, I have that same chirp,
2つのブラックホールが高速に
回り合っている場合 音は似ていますが
07:22
but with a modulation on top of it,
それに抑揚が加わって
こんな感じになります
07:26
so it kind of goes: whir, whir, whir!
「ウゥッウゥッウゥッ」
07:27
It's sort of the vocabulary of spin
imprinted on this waveform.
波形に回転の言葉が
刻まれているようなものです
07:30
AA: So on September 14, 2015,
(講演者) 2015年9月14日 —
07:35
a date that's definitely
going to live in my memory,
この日は 私の記憶に
ずっと残り続けるでしょう
07:38
LIGO heard this:
LIGOが こんな音を捉えました
07:41
[Whirring sound]
(ウゥーップという音)
07:43
So if you know how to listen,
that is the sound of --
聞く者が聞けば
この音は紛れもなく—
07:46
(Audio) SH: ... two black holes,
each of about 30 solar masses,
(スコットの声) それぞれ
太陽30個分ほどの質量がある
07:51
that were whirling around at a rate
2つのブラックホールが
07:54
comparable to what goes on
in your blender.
ミキサーなみの速さで
回転し合っています
07:56
AA: It's worth pausing here
to think about what that means.
(講演者) この意味することを
ちょっと考えてみましょう
07:59
Two black holes, the densest thing
in the Universe,
ブラックホールは宇宙で
最も密度が高い存在です
08:02
one with a mass of 29 Suns
一方は太陽29個分
08:05
and one with a mass of 36 Suns,
もう一方は
太陽36個分の質量があり
08:07
whirling around each other
100 times per second
衝突の直前には
毎秒100回転という速さで
08:10
before they collide.
互いに回り合っていました
08:13
Just imagine the power of that.
それがどれほどの力か
想像してみてください
08:14
It's fantastic.
すごいものです
08:16
And we know it because we heard it.
そして我々が それを知ったのは
聞くことによってなのです
08:19
That's the lasting importance of LIGO.
ここに LIGOの
揺るぎない価値があります
08:23
It's an entirely new way
to observe the Universe
宇宙を観測するかつてない
08:27
that we've never had before.
まったく新しい方法なんです
08:30
It's a way that lets us hear the Universe
宇宙の目に見えない部分を
08:32
and hear the invisible.
聞けるようにしてくれる
方法なんです
08:35
And there's a lot out there
that we can't see --
事実上であれ
本質的にであれ
08:39
in practice or even in principle.
目に見えないものは
沢山あります
08:42
So supernova, for example:
たとえば超新星です
08:44
I would love to know why very massive
stars explode in supernovae.
重い星がどうして爆発して超新星になるのか
是非知りたいところです
08:46
They're very useful;
超新星からは
08:50
we've learned a lot
about the Universe from them.
宇宙について
多くのことを学べます
08:51
The problem is, all the interesting
physics happens in the core,
問題は 興味深い物理現象は
核の部分で起きており
08:54
and the core is hidden behind
thousands of kilometers
核は何千キロもの
鉄や炭素やケイ素に
08:57
of iron and carbon and silicon.
覆い隠されている
ということです
08:59
We'll never see through it,
it's opaque to light.
光を通さず
見通すことはできません
09:01
Gravitational waves go through iron
as if it were glass --
でも重力波なら
鉄だろうと
09:04
totally transparent.
ガラスか何かのように
通り抜けられます
09:08
The Big Bang: I would love
to be able to explore
それにビッグバン
09:10
the first few moments of the Universe,
宇宙誕生直後のことを
探求できればと思いますが
09:12
but we'll never see them,
それを見ることは
決してできません
09:15
because the Big Bang itself
is obscured by its own afterglow.
ビッグバン自体は その残光に
包み隠されているからです
09:17
With gravitational waves,
重力波なら
09:22
we should be able to see
all the way back to the beginning.
原初の時に遡って
見ることができるはずです
09:24
Perhaps most importantly,
何より重要なのは
09:28
I'm positive that there
are things out there
私たちが決して
見たことがなく
09:30
that we've never seen
見ることもできず
09:33
that we may never be able to see
想像したことすら
ないけれど
09:34
and that we haven't even imagined --
聞くことによってのみ
発見できるものが
09:36
things that we'll only
discover by listening.
きっとあるということです
09:39
And in fact, even
in that very first event,
実際 あの最初の出来事において
09:43
LIGO found things that we didn't expect.
LIGOは我々の予期しなかったものを
発見しました
09:45
Here's my colleague and one of the key
members of the LIGO collaboration,
私の同僚で LIGO共同研究の
主要メンバーである
09:49
Matt Evans, my colleague at MIT,
addressing exactly that:
MITのマット・エヴァンズが
まさにそのことを語っています
09:53
(Audio) Matt Evans: The kinds of stars
which produce the black holes
(マット・エヴァンズの声)
ここで我々が観測している
09:56
that we observed here
ブラックホールを作った星は
09:59
are the dinosaurs of the Universe.
いわば宇宙の
恐竜のような存在です
10:01
They're these massive things
that are old, from prehistoric times,
とても大きく古い
太古の存在で
10:03
and the black holes are kind of like
the dinosaur bones
あのブラックホールは
古生物学者が研究する
10:06
with which we do this archeology.
恐竜の骨のようなものです
10:09
So it lets us really get
a whole nother angle
宇宙には何があり
10:11
on what's out there in the Universe
星はどのように生まれ
10:13
and how the stars came to be,
and in the end, of course,
その混沌の中からどうやって
我々が生まれるに到ったのか
10:15
how we came to be out of this whole mess.
まったく違った視点を
与えてくれるんです
10:18
AA: Our challenge now
(講演者) 我々の挑戦は今や
10:22
is to be as audacious as possible.
これ以上なく
野心的なものになりました
10:23
Thanks to LIGO, we know how
to build exquisite detectors
LIGOのお陰で
10:27
that can listen to the Universe,
宇宙の そよぎや さえずりを
聴くことのできる
10:30
to the rustle and the chirp of the cosmos.
精巧な検出器の作り方が
分かりました
10:32
Our job is to dream up and build
new observatories --
我々の仕事は 新たな観測所を
構想し建設することです
10:35
a whole new generation of observatories --
まったく新世代の観測所を
10:39
on the ground, in space.
地上に 宇宙に作るのです
10:41
I mean, what could be more glorious
than listening to the Big Bang itself?
ビッグバンそのものに耳を傾ける以上に
壮麗なことが他にあるでしょうか?
10:43
Our job now is to dream big.
大きな夢を抱くことが
私たちの仕事です
10:48
Dream with us.
一緒に夢を抱きましょう
10:51
Thank you.
どうもありがとうございました
10:52
(Applause)
(拍手)
10:53
Translated by Yasushi Aoki
Reviewed by Eriko T.

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About the speaker:

Allan Adams - Theoretical physicist
Allan Adams is a theoretical physicist working at the intersection of fluid dynamics, quantum field theory and string theory.

Why you should listen

Allan Adams is a theoretical physicist working at the intersection of fluid dynamics, quantum field theory and string theory. His research in theoretical physics focuses on string theory both as a model of quantum gravity and as a strong-coupling description of non-gravitational systems.

Like water, string theory enjoys many distinct phases in which the low-energy phenomena take qualitatively different forms. In its most familiar phases, string theory reduces to a perturbative theory of quantum gravity. These phases are useful for studying, for example, the resolution of singularities in classical gravity, or the set of possibilities for the geometry and fields of spacetime. Along these lines, Adams is particularly interested in microscopic quantization of flux vacua, and in the search for constraints on low-energy physics derived from consistency of the stringy UV completion.

In other phases, when the gravitational interactions become strong and a smooth spacetime geometry ceases to be a good approximation, a more convenient description of string theory may be given in terms of a weakly-coupled non-gravitational quantum field theory. Remarkably, these two descriptions—with and without gravity—appear to be completely equivalent, with one remaining weakly-coupled when its dual is strongly interacting. This equivalence, known as gauge-gravity duality, allows us to study strongly-coupled string and quantum field theories by studying perturbative features of their weakly-coupled duals. Gauge-gravity duals have already led to interesting predictions for the quark-gluon plasma studied at RHIC. A major focus of Adams's present research is to use such dualities to find weakly-coupled descriptions of strongly-interacting condensed matter systems which can be realized in the lab.
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