ワームホールとは？定義・仕組み・タイムトラベルの可能性を解説

ワームホールの定義と仕組み、観測の現状やタイムトラベルの可能性を図解でわかりやすく解説する総まとめ。

ワームホールとは、時空間を通る近道を作る理論的な空間の通路のことである。簡単に言えば、宇宙のある点と別の点を結ぶ「トンネル」のような構造で、両端は遠く離れた別々の位置（あるいは別の時刻）に開いていると考えられる。ワームホールが実際に存在するかどうかは未解決であり、現在のところ確実な観測的証拠はない。

ワームホールの種類と理論的背景

ワームホールの概念は一般相対性理論から導かれる解の一つとして現れる。初期の代表的な例が、アインシュタインとローゼンが提案したアインシュタイン・ローゼン橋（いわゆる「ブラックホール対」）であるが、これは標準的な形では通常「通行不可能（non-traversable）」で、片方の入口から入ってももう一方の出口に出られない構造になっている。

一方で、移動可能（通過可能、traversable）なワームホールの理論モデルも考えられている。代表例として1988年に提示されたMorris–Thorne型の模型があり、これは正規の物質だけでは安定に維持できないため、負のエネルギー密度を持ついわゆる「エキゾチックマター」が必要であることを示した。

通行可能性と必要条件

• 喉部（throat）：ワームホールの細くなった部分で、ここが十分広ければ物体が通過できる。
• イベントホライズンの有無：通過可能なワームホールは通常、入口にイベントホライズンを持たない構造が要求される。ホライズンがあると、入口から入った物体は戻れなくなる。
• エキゾチックマター（負のエネルギー密度）：一般相対性理論の下で喉部を開いたままにするためには、通常の正のエネルギー条件を破る物質が必要になると理論的に示されている。カシミール効果のように量子効果で負のエネルギー密度が現れる場合があるが、それが大規模なワームホールを安定化するかは不明である。

ワームホールとタイムトラベル

ワームホールはSFでよく使われる設定で、SFでの星間移動や短時間で遠方へ行く手段として描かれるだけでなく、タイムトラベルの道具としても議論されてきた。提案された横断可能なワームホールを使ったタイムマシンの基本的な仕組みは次の通りである。

ワームホールの一方の端（口）を、光速に近い速度で加速して戻すか、あるいは高重力場の近くに長時間置いてから元の位置に戻すと、相対論的な時間の進み方の違い（特殊相対性理論の双子のパラドックスや一般相対性理論の重力による時間遅れ）により、移動させた端と静止させた端の間に時間差が生まれる。これにより、十分な時間差があれば、ある口から入ってもう一方の口から出るときに「過去」に戻るような閉じた時間様曲線（closed timelike curve）が形成され、理論的には時間移動が可能になる。

元の文章にもあるように、どちらの方法でも、時間の拡張により、移動させたワームホールの端は、外部の観察者から見て静止している端よりも老けて見えたり、「若く」見えたりするが、ワームホールの外とワームホールの中では時間のつながり方が異なるため、ワームホールのどちらか一方の端で同期した時計は、ワームホールを通過した観察者から見て常に同期したままになる、という性質が理論モデル上は示され得る。

ただし、これらはあくまで理論上の可能性であり、時間移動に伴う因果律の破れや矛盾（有名な祖父殺しのパラドックスなど）をどう扱うか、さらには量子重力効果がどのように働くかなど、未解決の問題が多数ある。スティーブン・ホーキングなどが提唱した「年表保護仮説（chronology protection conjecture）」は、自然法則が時間逆行を防ぐ何らかの機構を持つ可能性を示唆している。

観測的な探索と制約

現在までに直接的なワームホールの検出はないが、研究者たちは間接的な手がかりを探している。考えられている観測手段の例：

• 重力レンズ効果の異常：ワームホールが光を曲げる際、通常の天体とは異なる特異な像をつくる可能性がある。
• ミクロなワームホールの痕跡：初期宇宙で生成された小さなワームホール（原始ワームホール）が高エネルギー現象に寄与しているかを調べる試み。
• 重力波や電磁波の異常なシグネチャ：合体や崩壊に伴う信号がブラックホールとは異なる特徴を示す可能性。

これらの探索は感度や理論の不確実性に制約されており、検出は容易ではない。従って「存在しない」と断言することも「存在する」と断言することもできない。

主な技術的・理論的問題点

• エネルギー条件の破れ：通過可能なワームホールには負のエネルギー密度が必要とされるが、その供給源や安定性は不明。
• 安定性：量子場のゆらぎや外的擾乱により喉部が崩壊する可能性がある。崩壊すると通過は不可能になる。
• 潮汐力と放射：大型ワームホールでも通過時の潮汐力や放射が通過体に致命的な影響を与える場合がある。
• 量子重力：ワームホールの最も重要な性質はプランクスケールの量子重力効果に依存する可能性が高く、現在の理論ではその振る舞いを正確に扱えない。

まとめと現状の見通し

ワームホールは一般相対性理論の枠内で興味深い数学的解や物理的概念を与えるが、実際に安定して、かつ通行可能なワームホールを作るためには、我々がまだ理解していない物理（負のエネルギーを大規模に利用する方法や量子重力の詳細など）が必要になる。また、タイムトラベルに伴う因果律の問題や自然が時間逆行を禁止するメカニズムを持つ可能性も取り沙汰されている。現時点ではワームホールは強い理論的関心の対象であり、観測的検証や実現の道は依然として開かれた研究課題である。

補足：ワームホールという呼称は、理論物理学者のジョン・ウィーラーによって広められた用語である。ワームホールが星間、銀河間、そして場合によっては宇宙空間への迅速な移動を可能にするというアイデアはSFで人気だが、現実の実現には多くの難問が残っている。

質問と回答

Q:ワームホールとは何ですか?

Q: ワームホールはどのように作られるのでしょうか?

Q: 2次元の平面上ではどのように見えるのでしょうか?

Q:「ワームホール」という言葉を最初に使ったのは誰ですか?

Q:研究者はワームホールの存在を証明するために何をもっているのか?

Q: なぜSFによく登場するのですか?

Q:タイムトラベルに使うにはどうしたらよいのでしょうか?

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