重力の幽霊を倒した物理学者

アルバート・アインシュタインの一般相対性理論が重力を時空の曲線として再構築して以来、物理学者は彼の研究が最終的な言葉であるかどうか疑問に思ってきました.突っ込んで微調整し、アインシュタインの重力を修正したり、置き換えたりしようとしましたが、その間ずっと、モデルをこれまで以上に厳しい観察範囲内に保ちました.

これらのアイデアの多くは、重力子と呼ばれる仮説上の粒子が重力を運ぶ量子力学の言語で重力を作り直そうとしています。これらのグラビトンは質量がありません。つまり、理論的には、光子 (電磁力のキャリア) が宇宙の端まで見えるように、無限の距離を移動できることを意味します。

しかし、別の可能性があります。 1930 年代、Wolfgang Pauli と Markus Fierz は、質量のある重力子を提案しました。この考えは、1970 年代に物理学者が大質量粒子が弱い力と強い力を運ぶことを発見した後、より説得力のあるものになりました。重力が同じように働かないのはなぜですか?

しかし、「幽霊」はすぐにこれらの巨大な重力の理論を悩ませました。

私たちの身近な世界では、物体を動かすにはエネルギーを与える必要があります。しかし、これらの巨大重力モデルでは、物体を動かそうとするとエネルギーが戻ってきます。これは、エネルギーを保存しなければならないという岩盤原理に反し、さまざまな問題を引き起こします。インペリアル・カレッジ・ロンドンの理論物理学者であるクラウディア・デ・ラムは、「宇宙全体が完全に狂ってしまうのを防ぐことはできません。なぜなら、ますます狂っていくのに必要なエネルギーはますます少なくなるからです」と述べています。 「それはあり得ないことなので、幽霊と呼んでいます。」

このような本質的な欠陥に直面して、理論家たちは大規模な重力への関心を失い始めました。デ ラムは、アンドリュー トーリーとグレゴリー ガバダゼと共に、現状を覆す急進的な論文を 2011 年に発表しました。大規模な重力のモデルに余分な次元を追加することで、de Rham と共同研究者は幽霊を回避し、数学的にもっともらしい理論の 1 世紀にわたる希望を再燃させることができました。

しかし、なぜ巨大な重力を気にする必要があるのでしょうか? De Rham は、重力を修正することで、宇宙論の最大の謎の 1 つである暗黒エネルギーが解決されることを期待しています。 20 年前、宇宙学者は宇宙の膨張が加速しているように見えることを発見しました。それ以来、物理学者たちは何が原因なのかについて頭を悩ませてきました。巨大なグラビトン — 到達範囲が宇宙全体にあまり広がっていないもの — は、宇宙がそのように振る舞う理由を説明できるかもしれません.

de Rham にとって最も興味深いのは、重力波検出器が大規模な重力の理論を平凡なアイデアと比較してテストできる可能性です。 「重力波は、修正された重力のさまざまな理論をテストするチャンスです」と de Rham 氏は述べています。

量子 COVID-19 パンデミックの間、ロンドンの自宅でビデオ通話を介して de Rham と話しました。彼女は、研究と教育への取り組みを続けながら、3 人の子供たちをホームスクーリングしなければならなかったにもかかわらず、リラックスして微笑んでいました。彼女は寝室で子供たちからの避難所を探し、私たちは 2 時間話しました。de Rham の表情豊かでエネルギッシュな手のジェスチャーは、宇宙の進化を表現し、時折ウェブカメラと衝突しました。インタビューは、わかりやすくするために要約および編集されています。

あなたはキャリアを重力の研究に捧げてきました。なぜそれほど重要なのですか?

重力は、宇宙の進化全体を支配する力です。重力の法則は、宇宙が物質とエネルギーにどのように反応するかを教えてくれます。それは本当に包括的なものです。宇宙の始まりに重力を止めていたとしても、それはまだ大きくて沸騰している基本粒子のスープです.銀河も、恒星も、惑星もありませんでした。考える必要はありません。

次に、基本的なレベルでは、アインシュタインの一般相対性理論では、空間と時間の概念全体が重力に由来します。最終的にすべてが重力の中に埋め込まれます。

あなたはいつも宇宙に魅了されてきましたか?

私が子供の頃、両親はよく引っ越しをしました。私は幼少期のほとんどをマダガスカルで過ごしましたが、しばらくペルー、そしてルワンダにも住んでいました。本当に家を持っていない場合は、地球全体についてより多くの考えを持っています.ですから、私たちは地球上で非常に小さな存在であり、地球自体が宇宙の非常に小さな存在であるというこの考えから、私は空に情熱を持っていました.そして、私は理解しようとし始めました:私を取り巻くこの宇宙は何ですか?

あなたはかつてパイロットになるための訓練を受け、欧州宇宙機関の宇宙飛行士選考プロセスのいくつかの段階を経ました。自分は冒険家だと思いますか?

宇宙飛行士になりたかった。宇宙飛行士であることは、そこに行くことによって私たちを取り巻くものを調べるという究極の考えです.私も幼い頃からスキューバ ダイビングをしていましたが、それは同じ考え方です。データや画像を探索するのではなく、物理的に自分自身をその中に入れて、未知の新しいものを探索するということです。あなたは本当に観察しています — あなたはその一部です — そしてそれはあなたの視点を完全に変えます.

アインシュタインの一般相対性理論はうまく機能しているようです。なぜ重力を修正する必要があるのですか?

ビッグバンの後、宇宙は膨張し、冷却されました。そして、宇宙には銀河のようなものがあり、それらは重力によって互いに引き寄せられているため、この膨張は徐々に遅くなると予想されます.しかし、過去 25 年ほどの間に、観測は正反対のことを示してきました。つまり、宇宙の膨張が加速しています。加速しています。これは暗黒エネルギーの概念であり、私たちが宇宙を説明する際に欠けているものを指し示しています。

暗黒エネルギーは、宇宙の膨張を加速するこの神秘的で魔法のエネルギー源と見なされることがあります。しかし、これは実際には問題の核心ではありません。暗黒物質の場合と同じように、暗黒エネルギーの何かを調理することができ、後でそれを検出できることを願っています.特に満足できるものではありませんが、私たちはこれを行っています。実際、問題の核心は、この問題を解決するために必要なダーク エネルギーの量と、自然なダーク エネルギーの量が完全に一致していないことです。

暗黒エネルギーのエネルギー密度はとてつもなく小さい。それは非常に小さいので、わずかに変化させると、宇宙がどのように進化したかが大きく変化し、構造が形成されず、私たちは存在しなくなるほどで​​す.私たちがこれほど正確なチューニングに依存していると考えると、非常に不安になります。科学史上前例のないことです。

私たちは非常にばかげた答えを思いついているので、そこにたどり着くまでに行ったすべての仮定を再調査する必要があります.

など?

アインシュタインの一般相対性理論の方程式を 2 つの方法で変更することについて考えることができます。方程式の右側は、宇宙の内容、つまり質量とエネルギーを持つものを表しています。左側には、時空の曲率を表すメトリック テンソルと呼ばれるものがあります。

暗黒エネルギーについて考えるとき、右側に新しいものを追加していますが、これは数学的にあなたの知識の欠如を表しています.新しい洞察を実際に追加しているわけではありません。

重力を変更するときは、時空が何であるかのルーツである左側に戻り、意味のある変更があるかどうかを確認しようとします。あなたは重力の性質が何であるかを深く探求しています.

どのような変更が理にかなっていますか?

光子と呼ばれる粒子によって媒介される力と考えられている電磁気学との類似性を理解することは有益です。光子は質量がないので、電磁気学の範囲は無限です。これは、あなたが無限に離れていても、これらの力を感じるという意味ではありません — それらはまだ消滅します — しかし、鋭いカットオフはありません.徐々に衰退していくだけです。

アインシュタインの一般相対性理論では、重力子を質量のない粒子と考えているため、重力の範囲も無限大です。重力の変更は、ある時点で遷移が発生することを意味します。基本的に、重力は非常に大きな距離でオフになります。したがって、宇宙の膨張が遅くなると期待する理由はもはやありません。

アインシュタインの方程式に没頭して時間を過ごします。一般相対性理論に惹かれる理由は何ですか?

これらの方程式を研究すればするほど、その美しさと奥深さに気づきます。アインシュタインは、アインシュタインの原理と呼ばれるいくつかの柱に基づいて一般相対性理論を構築しました。 1 つは等価原理です。物理法則は、誰がその物理を観察しているかに依存してはなりません。右？これは、私たちの理論では望ましいことのように思えますが、最初から設定されている大きな仮定です。

今、私たちはこれらの原則がいかに基本的なものであるかを認識しています。グラビトンの観点から重力について考え始めると、理論が安定していることを要求するだけで、これらすべての柱が実際に現れることがわかります。宇宙に構造を持つために、私たちが存在するためには、特別な観察者がいないという美しい対称性も必要です。

一般相対性理論について私が驚くべきもう 1 つの点は、それがいつ機能しなくなるかを正確に教えてくれることです。一般相対性理論の法則からブラック ホールが発生します。外から見ると、ブラックホールは非常に重い物体であり、光さえも脱出できないと考えられています。その後、ブラック ホールの内部に入ると、時空が無限に湾曲する点、つまり特異点に到達します。ここで一般相対性理論は破綻します。ビッグバン特異点も同じです。時間をさかのぼると、宇宙の曲率が無限大になるポイントに到達します。そして、それは一般相対性理論が私たちに次のように言っているだけです。私は制御不能です。したがって、一般相対性理論がより基本的なものから出現していることがわかります。

しかし、一般相対性理論は宇宙の残りの部分をかなりうまく説明しているように見えますよね?

一般相対性理論がこれまでに達成したすべての予測と一致する観測を台無しにしないように、重力を修正する必要があります。

では、どんな変更も小さなものでなければならないのですか?

それは正しい。たとえば、グラビトンに質量がある場合、それは非常に小さくなければなりません。これは、私たちが知っている最も軽い大質量粒子であるニュートリノよりもはるかに小さいものです。

修正重力理論に対して一般相対性理論をどのようにテストしますか?

最初に、重力のわずかな変化が太陽系の惑星の運動にどのように影響するかを考えることができます。これらのモデルに対する最も強い制約のいくつかは太陽系内にあります。なぜなら、私たちはここで重力をよく理解しているからです.

重力波はどうですか?

LIGO (レーザー干渉計重力波天文台) で重力波が最初に検出されたときから、重力子の軽さに制限を設けることができました。

2 つのブラック ホールまたは中性子星が合体すると、互いの周りをどんどん速く回転し、互いに接近します。そして、それらは 2 つの物体の移動速度に関連する周波数の重力波を生成するため、2 つの物体が合体するにつれて周波数が少し高くなります。

一般相対性理論では、波は周波数に関係なく同じ速度で移動する必要があります。大規模な重力の場合、重力波の速度は周波数に依存します。これは非常に小さな効果ですが、重力波は非常に高い精度で観測されているため、重力子の質量は 10 電子ボルト未満である必要があります。 [編集者注:電子より約 26 桁軽いです。 ] 信じられない！これは、光子の質量の限界よりもはるかに正確です — そして私たちは何百年も光を研究してきました.

除外されるモデルが増えるにつれて、一般相対性理論はより魅力的に見えますか?

過去 20 年間、私はアインシュタインの重力理論がおそらく低エネルギーでの宇宙の正しい説明であることを学びました。

しかし、それを述べたい場合は、一般相対性理論を比較するための代替手段が必要です。これはまさに科学的アプローチです。より大きなクラスのモデルでそれを想像することなく、一般相対性理論が何が起こっているかの正しい説明であると主張することはできません.そうして初めて、私たちは一般相対性理論を本当に理解している、それが唯一無二であること、そしてそれが正しい記述であることを知っていると言うことができます.

編集者注:このインタビューの数週間後、Claudia de Rham は シモンズ捜査官に任命 この編集的に独立した雑誌に資金を提供している組織、Simons Foundation によるものです。シモンズ財団への資金提供の決定は、私たちの報道には関係ありません。してください このページを見る 詳細