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思考実験 物理学者の心の旅

By Sabine Hossenfelder S. ホッセンフェルダー
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Gedankenexperiment , German for “thought experiment,” was Albert Einstein’s famous name for the imaginings that led to his greatest breakthroughs in physics. He traced his realization of light’s finite speed—the core idea of special relativity—to his teenage daydreams about riding beams of light. General relativity, his monumental theory of gravitation, has its origins in his musings about riding up and down in an elevator. In both cases, Einstein crafted new theories about the natural world by using his mind’s eye to push beyond the limitations of laboratory measurements.  「思考実験」を意味するドイツ語Gedankenexperiment と聞くと,アインシュタイン(Albert Einstein)を思い出す。彼の思考実験は物理学に数々のブレークスルーをもたらした。特殊相対性理論の核となる「光速度の有限性」は,彼が10代の頃に見た光に乗る夢から着想を得た。彼の画期的な重力理論である一般相対性理論は,エレベーターに乗って上下することを想像する中から生まれた。このように,アインシュタインは実験室で可能な実験の限界を“心の目”を使って超えることで,自然界を記述する新たな理論を構築した。
Einstein was neither the first nor the last theorist to do this, but his remarkable achievements were pivotal in establishing the gedankenexperiment as a cornerstone of modern theoretical physics. Today physicists regularly use thought experiments to craft new theories and to seek out inconsistencies or novel effects within existing ones.  アインシュタインは思考実験を行った最初の理論物理学者でも最後の理論物理学者でもない。だが,思考実験が現代の理論物理学を支える重要な手段と考えられるようになったのは,彼が残した優れた業績によるところが大きい。今日,理論物理学者は新しい理論を構築したり,既存の理論の矛盾点や未知の効果を探ろうとするとき,日常的に思考実験を行っている。
But the modern embrace of thought experiments raises some uncomfortable questions. In the search for a grand unified theory that would wed the small-scale world of quantum mechanics with Einstein’s relativistic description of the universe at large, the most popular current ideas are bereft of observational support from actual experiments. Can thought alone sustain them? How far can we trust logical deduction? Where is the line between scientific intuition and fantasy? Einstein’s legacy offers no certain answers: On one hand, his reliance on the power of thought was a spectacular success. On the other, many of his best known thought experiments were based on data from real experimentation, such as the classic Michelson-Morley experiment that first measured the constancy of the speed of light. Moreover, Einstein’s fixation on that which can be measured at times blinded him to deeper layers of reality—although even his mistakes in thought experiments contributed to later breakthroughs.  だが,現代物理学において思考実験はあまり愉快ではない疑問ももたらしている。極小スケールの物理を記述する量子力学と宇宙スケールの物理を記述するアインシュタインの一般相対論を融合する大統一理論の探究において,その最有力候補を実際の実験で検証する手段を見つけられずにいる。思考だけでこの理論を検証することは可能だろうか? 論理的演繹はどれだけ信頼できるのか? 科学的な洞察と空想の線引きはどこか?
 アインシュタインの遺産はこれらの問題に明確な答えを示してはくれない。彼が思考の威力を信頼したことは見事な成功に結びついた。一方,彼のよく知られた思考実験の多くは,光速が一定であることを世界で初めて確認したマイケルソン(Albert A. Michelson)とモーリー(Edward W. Morley)の実験など,現実の実験のデータに基づいていた。さらに,アインシュタインは観測可能なものに執着しすぎたために現実世界の深層が見えなくなることもあった─彼の場合,思考実験における誤りですら,後にブレークスルーにつながったのだが。
Here we will walk through some of Einstein’s most iconic thought experiments, highlighting how they succeeded, where they failed and how they remain vital to questions now at the frontiers of theoretical physics.  ここではアインシュタインの思考実験がどう成功し,どこで失敗したか,そして思考実験が現在の理論物理学のフロンティアでいかに不可欠であり続けているのかに焦点を当て,彼の思考実験の代表例をいくつか紹介する。