5分でわかる：フォン・ノイマン・マシンとは
フォン・ノイマン・マシン（フォン・ノイマン・プローブ、Von Neumann probe）とは、別の星系に着くと、そこにある岩や氷を使って自分と同じ機械を作り、そのコピーをさらに別の星へ送り出す、仮想の宇宙探査機です。次の世代もまったく同じことを繰り返します。実際に作られたことはありません。それでも、たった1機がうまくいけば、理屈の上では銀河のほとんどの星に行きつくことができる、という分かりやすさがあるため、真剣に議論されてきました。
名前は数学者のジョン・フォン・ノイマンに由来します。彼は「機械は自分自身を作れるのか」という問いを理論で解きました。宇宙探査機の形にしたのは、ずっとあとの人たちです。科学の思考実験が物語を動かす力になる流れは、SFの歴史の中でもよく見られます。
まず次の3つを覚えておけば十分です。
- 自分をコピーする。探査機は、旅人であり工場でもあります。
- 倍々に増える。1機が2機に、2機が4機にと増えるので、数は進む距離よりずっと速く増えます。
- 思考実験である。いちばんの使い道は、「なぜ宇宙人の気配がないのか」を考えることです。
考えの出どころ
話の始まりはロケットではなく、計算機の世界です。1940年代の終わり、ハンガリー生まれの数学者ジョン・フォン・ノイマン（1903〜1957年）は、「機械は、自分を作るための設計図ごと、自分のコピーを作れるだろうか」という問題を考えました。1948年と1949年にこのテーマで講義を行い、数学者スタニスワフ・ウラムとともに、マス目の上で自分を増やすパターン（初期のセル・オートマトン）も考えています。ノートはアーサー・バークスがまとめ、彼の死から9年後の1966年に『Theory of Self-Reproducing Automata』（自己増殖オートマトンの理論）として出版されました。
彼の核心は、自己複製する機械には3つの部分が要る、という考えです。設計図、その設計図どおりに作る組み立て役、そして設計図をそっくり写す複写役です。複写した設計図を子どもに渡せば、子どもはまた孫を作れます。のちに生物学者が見つけた細胞の仕組みでは、DNAが読み取られ、同時にコピーされています。それとよく似た論理です。
宇宙の話になるのは、そのあとです。1960年に電波天文学者のロナルド・ブレイスウェルが、異星の文明は電波を送るかわりに、自動の探査機を私たちの太陽系へ送ってくるかもしれないと述べました。ブレイスウェル・プローブと呼ばれる考えで、これはコピーを作るものではありません。1980年には技術者のロバート・フレイタスが、自己複製する星間探査機の設計案を英国惑星間協会の機関誌に発表しました。土台にしたのは、同協会が1970年代にまとめた無人の核融合宇宙船の計画「ダイダロス計画」です。同じ年、物理学者のフランク・ティプラーは、「もし知的な宇宙人がいるなら、彼らの自己複製探査機はもう太陽系に来ているはずだ。見当たらないのだから、おそらく私たちしかいない」と論じました。こうして探査機は、フェルミのパラドックスの主役の一人になりました。
どうやって宇宙に広がるのか
多くの設計案は、同じ流れで考えられています。
- 航行する。母星を出て、光の速さの数パーセント、速くても10分の1ほどで次の星へ向かいます。動力は核融合エンジンや帆が想定されています。
- 小さな天体に降りる。小惑星や小さな衛星のほうが惑星より重力が弱く、金属や氷も取り出しやすいからです。
- 掘って、作る。ロボットが原料を掘り、精錬し、小さな工場を作ります。その工場が探査機のコピーを組み立てます。
- 送り出す。コピーの一部が近くの星へ向かい、同じ作業を始めます。
天の川銀河の直径はおよそ10万光年です。子どもを作るのにも時間がかかるので、銀河全体に行きわたるまでには、速さや前提によって違いはあるものの、数百万年以上かかるという見積もりが一般的です。長く聞こえますが、天の川銀河の年齢は130億年以上あります。必要な時間と、これまでにあった時間の差が大きいことが、この考えが強い問いかけになる理由です。
科学的にはどうなのか
確かなこと。自己複製は、生き物の世界では当たり前に起きています。つまり物理法則が禁じているわけではありません。フォン・ノイマンの設計図・組み立て役・複写役という考え方は数学的にも筋が通っていて、自己複製するパターンをコンピューターの中で動かす例もあります。1980年にはNASAが支援した夏期研究「宇宙ミッションのための高度自動化」が、月面で増える工場の可能性を検討し、長期的に検討する価値があると評価しました。2005年に始まった「RepRap」のような取り組みは、自分の部品の多くを自分で印刷できる3Dプリンターですが、モーターや電子部品は今も人が用意しています。
難しいこと。最大の壁は星と星の間の距離です。最も遠くにある人工物のボイジャー1号でも、今の速さでは、いちばん近い恒星プロキシマ・ケンタウリ（約4.2光年）の近くに着くだけで数万年かかります。2016年に発表されたブレークスルー・スターショット計画は、グラム単位の小さな探査機をレーザーで押し、光速の5分の1ほどで飛ばす案です。アルファ・ケンタウリ系まで約20年で届きますが、この探査機は自分をコピーしません。
まだ推測の段階のこと。機械が必要な材料をすべて、人の助けなしに探して掘って精錬できるのか、数百万年のうちにコピーの誤りがたまらないのか、そもそも誰かがそんなものを飛ばすのか、といった点は未解決です。人類の探査機も、異星の探査機も、フォン・ノイマン・プローブは今のところ一つも観測されていません。
SF作品での登場例
自分を増やす機械はSFの人気の題材で、味方として描かれることも、恐ろしい存在として描かれることもあります。
- フレッド・セイバーヘーゲンの「バーサーカー」シリーズ（1960年代から）は、あらゆる生命を狩る太古の自己複製戦闘機械を描きます。
- スタニスワフ・レムの長編『砂漠の惑星』（The Invincible、1964年）は、昔の自己複製システムの子孫が群れとして進化した惑星に、乗組員が降り立つ物語です。
- アーサー・C・クラークの『2010年宇宙の旅』（1982年）では、黒いモノリスが増えていきます。自己複製探査機の考え方に近いと読む人が多くいます。
- アレステア・レナルズの『啓示空間』（Revelation Space、2000年）に出てくる「抑制者」は、若い文明を待ち受けて抑え込む機械です。
- デニス・E・テイラーの『We Are Legion (We Are Bob)』（2016年）は、人間の意識をコピーした探査機が星々へ広がる、明るい調子の作品です。
よくある誤解
- 「フォン・ノイマンが宇宙船を設計した」：していません。彼が考えたのは自己複製する機械の論理で、宇宙への応用は後世の人たちによるものです。
- 「グレイ・グーと同じもの」：グレイ・グー（灰色の粘塊）は、エリック・ドレクスラーが1986年の『創造する機械』で広めた言葉で、微小な分子機械が暴走して物質を食べつくす想定です。フォン・ノイマン・プローブは、宇宙をゆっくり渡りながら増える宇宙船です。「増えすぎる心配」は共通しています。違いはグレイ・グーのページで確かめてください。
- 「作れるなら、とっくに来ているはず」：これは議論であって証明ではありません。文明が作らないことを選ぶ、探査機が見つかりにくい、私たちが早すぎる、など別の答えもあります。
- 「銀河が一晩で埋まる」：倍々に増えても、移動と組み立てに時間がかかります。速い設計でも数百万年かかります。
- 「必ず危険なもの」：危険かどうかは、探査機にどんな指示を与えるかで決まります。観測だけして、決めた数でコピーを止める設計も、同じように筋が通っています。
次に読む
- フェルミのパラドックス：銀河が静かに見える理由と、探査機の位置づけ。
- グレイ・グー：自分を増やす機械の、ナノ技術版です。
- SFの歴史：こうした思考実験が物語になっていった流れ。
