彩恵りり🧚‍♀️科学ライター✨おしごと募集中:宇宙は別に何次元でも構わないよ。でも、私たちのような知性が発生するには空間が3次元であることが必須であり、それ以外の知性の形態を私たちが知らないからだよ。 宇宙で原子が発生し、恒星の核融合などで重い元素が作られ、それを素に惑星が誕生し、その表面での化学反応の末に生命が誕生し、それの進化の結果が私たちだよね？これを実現するには、数億年以上という長い時間の間、天体の軌道や電子の軌道が安定している必要があるよ。 ところで、重力相互作用や電磁相互作用は、距離の2乗に反比例して弱くなっていくけど、これは3次元空間での話だよ。もし4次元空間の場合は3乗、5次元空間の場合は4乗……と、どんどん増えていくよ。つまり、距離に対しての変化がものすごく敏感となるよ。これが惑星なら、ちょっとした公転軌道のズレが恒星への落下や離脱を招き、生命が誕生する間もなく住めない環境となるよ。原子なら、ちょっとした電子軌道のズレが原子核への落下や離脱に繋がり、原子という存在自体が不安定となるよ。つまり、4次元以上では私たちの知る物質や天体が存在しなくなるよ。 では2次元ならどうなのかというと、これは物質とかは安定するかもしれないけど、その代わり複雑な物体が期待できなくなるよ。例えば私たちには消化管というひとつながりの穴が貫通しているけど、2次元でやろうとすると、それは2つの生命に分割されてしまうことになるよ。そうなると、生命として許されるのは、アメーバーのように他の生物を囲う程度のことしかできないことになるよ。マクロで見ても問題があるけど、ミクロで言うともっと問題があるよ。細胞は水分や栄養を出し入れし、細胞間の情報を分子をやり取りすることで把握しているけど、細胞内外をどのように物質交換するのか、という問題に当たってしまうよ。2次元の世界では、最も単純な細胞すら作るのが難しくなるよ。 これらの問題から、3次元空間以外では、少なくとも私たちが知るような知性は誕生しえないよ。なので、3次元空間でしか「宇宙はなぜ2次元でも4次元でもなく、3次元なのでしょうか？」という質問は生まれないわけだよ。知性の定義がないので、私たちの知らない知性が他の空間次元でも誕生しえるのかもしれないけど、それは科学というよりSFになってしまうよね。なので "少なくとも私たちが知るような" という前提が必要だよ。 ちなみに、質問は空間次元だけど、時間についても同じことが言えるよ。時間次元は1次元なので、一貫して前後関係をつけ、これによって因果関係をつけることができるよ。ところが、時間次元が2次元以上の場合、前後関係を付けることはできなくなるよ。ちょっとこれは説明が難しいけど、時間次元が2本以上あると、例えそれぞれが過去から未来への一方通行にしか進めない軸だったとしても、うまいことやれば前後関係を逆転させることができてしまうよ。私たちが知る限り、マクロでは前後関係がひっくり返ることがないからこそ、様々な物理現象について法則をつけることができるんだけど、これが破綻している時間軸2次元以上の世界では、果たして時間が進むことによる発展がどうなっているのかを言うことができなくなってしまうよ。だから、「空間3次元+時間1次元」のみが、それに疑問を持つような知性が誕生しうる宇宙と言うことになるよ。

橋本 省二:空間はなぜ３次元なのか。寄せられた質問のなかでもダントツで難しいものではないでしょうか。答えは「わかりません」。それだけなんですが、どれくらいわからないかをお話ししてみたいと思います。うまく伝わるでしょうか。 究極の理論とされる超弦理論。すべての物質と時間・空間もすべてそこから導き出されるのではないかと期待されている理論です。この理論が矛盾なく書けるのは１０次元時空においてだけだと（数学的に）わかっています。時間１次元、空間９次元ですね。これが本当に物質と空間の正しい理論なら、この余分な６次元をどうにかしないといけない。余分な次元は小さく丸まって見えなくなっていると考えることにするコンパクト化が必要になります。ところが、それがどうやって起こるかがわからない。何しろ超弦理論は摂動的な（つまり近似的な）方程式がわかっているだけで、根本となる基礎方程式がわかっていないので、何が起こるかを解析のしようもないわけです。おかげで無数のコンパクト化を考えることができ、その中には現実の宇宙に合うものもあるだろうけど、だから何だという話になってしまいます。何も予言できないからです。 そうこうしているうちに、もっと不思議なことがいろいろとわかってきました。超弦理論の解には弦（ひも）だけでなく、膜とかもっと高次元のものとかがいろいろある。ブラックホールを高次元化したもので、ブレーンと呼ばれます。ブラックホールは、ホーキング放射といってある温度に相当する光を放つことがわかっています。ブラックホールは古典的な重力理論で現れるのに対して、ホーキング放射は量子的なものですから、その理解には重力の量子論が必要です。ブレーンを調べてわかってきたのは、ブラックホールをあらわす曲がった時空全体が、その表面の量子状態だけ見ればわかるという驚くべき性質でした。AdS/CFT対応、もしくはホログラフィ原理と呼ばれることもありますね。これを認めると、哲学的ともいえる問題が持ち上がります。重力をあらわす空間（仮に９次元としましょうか）のことは、その表面（仮に３次元としましょう）の量子論で書かれる。じゃあその９次元は実在なのか？ そういう問題です。 空間には距離という概念がありますね。ある点から近い点と遠い点がある。その違いは表面にある量子論の言葉では、量子もつれの強さに翻訳されます。空間とは量子的にもつれた状態のことではないか。そういう考えも成り立ちそうです。つまり、空間はそこにあったものではなく、ある「状態」として生まれたものだというわけです。これを称して「宇宙は情報でできている」という標語で呼ぶ人もいます。 空間が３次元なのはなぜか、どころの話ではありません。そもそも空間とは実在か？という話になってしまいました。これからいったいどうなるんでしょうね。楽しみです。

千葉逸人:すでに橋本先生が宇宙物理からのご回答をしてくださいましたので、脳神経科学の視点からのコメントをさせていただきます。 仮に２次元、４次元以上の宇宙が我々と別世界にあるとすれば、そこに生まれる（かもしれない）生物もその次元の体を持ってますね。生き物は細胞たちがシナプスで繋がって情報のやりとりをすることで機能します。 これが２次元だと、繋がり方が単純なものしかできなくてまともな知的生命体は生まれません。 一方、４次元以上だとシナプスの繋がり方のパターンが増えすぎて、細胞から細胞への情報伝達が混線してしまいます。 実際、シナプスの数が少なすぎても多すぎても安定な脳波が作れないことは数学的に証明できます。 人間の場合は胎児のときに急速にシナプスの数が増えますが、シナプス刈り込みといって１～３歳くらいにおいて不要なシナプスが減っていきます。４次元以上だと組み合わせが多すぎてこれがうまくいかないです。 なので、仮に２次元や４次元以上の宇宙がどこかにあるとしても、そこには知的生命体が生まれないと思われるので、だれもその存在を感知できません。