5分でわかる：ワームホールとは何か
ワームホールとは、宇宙の遠く離れた2つの場所を、短い通り道でつなぐと考えられている仮想上のトンネルです。考え方によっては、2つの異なる時刻をつなぐこともあります。たとえば、紙の上にアリがいるとします。紙の反対側の点へ行くには、紙の上をずっと歩くしかありません。ところが紙を折って2つの点を近づけ、短い筒でつなげば、道のりはほんのわずかになります。この筒がワームホールで、ただし「紙」にあたるのは空間そのものです。
ここで大事なことが2つあります。1つは、アインシュタインの一般相対性理論（General Relativity）の方程式が、ワームホールのような形を数式の上では許していること。もう1つは、実際にワームホールが観測されたことも、作る方法が見つかったこともないことです。この2つを頭に置いておくと、以下の話が整理しやすくなります。この考え方がSFの歴史の中でどう広がったかは、SFの歴史の記事もあわせてどうぞ。
しくみ：曲がる空間がつながるとは
一般相対性理論では、質量やエネルギーが時空をゆがめ、そのゆがみが重力として感じられると考えます。ゆがみ方には、理屈の上でさまざまな形があり得ます。ワームホールは、入り口と出口にあたる2つの「口」と、その間をつなぐ細い部分（のど）でできた形です。片方の口に入ると、間の空間を横切らずに、何光年も離れたもう片方の口から出てくることになります。
この口は、壁についたドアのような平らな円盤には見えません。外から見ると、ガラス玉のような球に見えます。光が曲げられるため、球の中には反対側の空の景色が、ゆがんで引き伸ばされた形で映ります。
ワームホールの図としてよく見かけるのは、2つのじょうごの細い先をつないだような曲面です。これは「埋め込み図」と呼ばれる説明用の絵で、3次元の空間を2次元の面に押し込んで描いています。ですから、「見えない別の方向がどこかにある」という意味ではありません。
どこから生まれた考えか
この考え方は、名前よりも古くからあります。1916年、オーストリアの物理学者ルートヴィヒ・フラム（Ludwig Flamm）は、いちばん単純なブラックホールの解の形を調べ、2つの領域がつながった形として読めることに気づきました。1935年には、アルベルト・アインシュタインとネイサン・ローゼンが、素粒子を空間のなめらかな橋として表すモデルを論文にまとめました。これが「アインシュタイン＝ローゼン橋」です。ただし、これは移動手段として考えられたものではありません。
「ワームホール」という名前をつけたのは、アメリカの物理学者ジョン・アーチボルド・ホイーラー（John Archibald Wheeler）です。1950年代後半に、ごく小さなスケールでの空間の姿を考える中で、この言葉を使い始めました。リンゴの中を虫が掘って進むと、虫にとってその穴は、実の反対側へ行く近道になります。名前はこの様子にちなんでいます。
1962年にホイーラーとロバート・フラー（Robert Fuller）は、問題点を示しました。いちばん単純なブラックホールの橋は、光でさえ渡りきる前に閉じてしまうのです。つまり、橋は方程式の中にはありますが、そこを通れるものはありません。
科学的にはどうなのか
はっきりしているのは、一般相対性理論がこれまでのあらゆる検証に耐えてきたことと、その方程式がワームホールの形を許していることです。推測の段階なのは、ワームホールが自然界に実在するのか、人間が作れるのかという点です。
現代の議論のきっかけは、小説でした。1980年代の半ば、カール・セーガン（Carl Sagan）は小説『コンタクト』（Contact）を書いていて、物理学を大きく破らずに銀河を横断する方法を探していました。そこで物理学者のキップ・ソーン（Kip Thorne）に相談しました。ソーンは大学院生のマイケル・モリス（Michael Morris）と検討し、1988年にアメリカ物理学雑誌（American Journal of Physics）に論文を発表します。その中で示されたのは、人間が生きて通り抜けられる通路としてのワームホールの設計でした。
問題は、のどを何が支えるかです。ふつうの物質は重力で内側へ引き合うため、のどはつぶれてしまいます。開いたままにするには、負のエネルギー密度をもち、外向きに押す「エキゾチック物質」が必要です。そうした物質のかたまりは、まだ見つかっていません。
ただし、負のエネルギーがまったくの空想というわけではありません。実験室で測定されているカシミール効果では、電気を帯びていない金属板をごく近くに置くと、板の間のエネルギーが外の真空よりわずかに低くなります。しかしその量は極めて小さく、ごく狭いすき間にしか現れません。宇宙船が通れる大きさののどを開けておけるだけの量を集める方法は、知られていません。もう1つの課題は安定性で、わずかな乱れでものどがつぶれるおそれがあります。
近年は量子の効果に注目した研究もあります。2013年にフアン・マルダセナ（Juan Maldacena）とレナード・サスキンド（Leonard Susskind）は、「ER=EPR」と呼ばれる大胆な考えを提案しました。量子もつれ（エンタングルメント）の状態にある2つの粒子が、きわめて小さなワームホールでつながっているかもしれない、というものです。理論物理の提案であり、検証はされていません。2017年には、ピン・ガオ、ダニエル・ジャフェリス、アーロン・ウォールの3人が、ある数理モデルの中では量子効果によってワームホールを通り抜け可能にできることを示しました。2022年には、Googleの量子プロセッサを使い、小さなモデルの中でワームホールのような振る舞いを再現した実験が、科学誌『ネイチャー』（Nature）に報告されました。ただし、これは量子コンピュータの中での計算であり、宇宙空間にトンネルが開いたわけではありません。結果をどこまで意味のあるものと見るかについては、他の物理学者の間でも議論がありました。
まとめると、ワームホールは観測されておらず、作れる技術も知られていません。
ワームホールとタイムトラベル
もしワームホールを通り抜けられるなら、時間をさかのぼる使い方もできるのではないか、という考えがあります。1988年にマイケル・モリス、キップ・ソーン、ウルヴィ・ユルトセヴァー（Ulvi Yurtsever）は、その仕組みを論文で説明しました。片方の口を高速で動かし、もう片方は止めておくと、2つの口の間で時間がずれていきます。そこで一方に入ると、過去へ出ることになります。
こうなると、歴史を変えてしまうなどのパラドックスが出てきます。1992年にスティーヴン・ホーキング（Stephen Hawking）は、「時間順序保護仮説」を唱えました。物理法則が、そのようなタイムマシンの成立を何らかの形で防ぐのではないか、という考えです。この仮説は証明も否定もされていません。いまのところ、タイムトラベルに使えるワームホールは、理論を試すための思考実験という位置づけです。
SF作品での登場例
ワームホールが物語で好まれる理由は、物語に許された時間の中で銀河を横断させるという課題を解決してくれるからです。カール・セーガンの小説『コンタクト』（Contact、1985年）では、宇宙からのメッセージに機械の設計図が添えられており、登場人物たちは宇宙空間を結ぶトンネルの連なりを通って、とてつもない距離を移動します。ソーンが先ほどの計算をしたのは、この小説がきっかけでした。
ジョー・ホールドマン（Joe Haldeman）の『終わりなき戦い』（The Forever War、1974年）には、近い発想が出てきます。兵士たちの宇宙船は、崩壊した星を通って星から星へ跳びますが、そのたびに故郷では何年もが過ぎてしまいます。近道の入り口と、近道を使う代償が、どちらも物語の柱になっています。また、アーサー・C・クラークの『2001年宇宙の旅』（2001: A Space Odyssey）に出てくるスターゲートも、ワームホールになぞらえて語られることが多い装置です。ただし、作品の中では仕組みははっきり説明されず、神秘的なままです。
映画では、『インターステラー』（Interstellar、2014年）が最もよく知られています。科学面ではキップ・ソーンが協力し、映画に出てくるワームホールは、空の別の場所がゆがんで映る球として描かれました。これは方程式から予想される姿と合っています。
トンネルを使わずに、宇宙船のまわりの空間を動かして遠くへ行く別の方法については、ワープ航法の記事で扱っています。
よくある誤解
- 「ブラックホールはワームホールの入り口だ」：そうではありません。恒星が崩壊してできる実際のブラックホールに、出口があるとは考えられていません。最も単純な数学的な解にある橋も、渡る前に閉じてしまいます。
- 「アインシュタイン＝ローゼン橋は移動用の通路だ」：もともとは素粒子のモデルでした。のちの研究で、何も通れないことが示されています。
- 「天文学者がすでに見つけた」：見つかっていません。2019年に公開された銀河M87の中心の画像などは、ブラックホールを写したもので、ワームホールではありません。
- 「ワームホールは光より速く進める」：中の光や船は、ふつうの速さで進みます。ワームホールは道のりを短くするだけで、速さを超えるわけではありません。
- 「Googleがワームホールを作った」：2022年の実験は、量子チップの中でワームホールのような振る舞いを再現した計算です。空間にトンネルが開いたわけではありません。
