彼らは、アートでは制約が創造性につながると言います。宇宙も同じようです。自然に制限を課すことにより、物理法則は現実の最も幻想的な創造物を絞り出します。光の速度を制限すると、突然空間が縮小し、時間が遅くなる可能性があります。エネルギーを無限に小さな単位に分割する能力を制限し、量子力学の完全な奇妙さを開花させます。 「不可能なことを宣言することは、より多くのことが可能になることにつながります」と物理学者のキアラ・マルレットは書いています。 「奇妙に見えるかもしれませんが、量子物理学ではよくあることです。」
Marletto はイタリア北部のトリノで育ち、物理工学と理論物理学を学び、オックスフォード大学で博士号を取得しました。そこで、量子情報と理論生物学に興味を持つようになりました。しかし、別のオックスフォードの物理学者で量子計算分野のパイオニアである David Deutsch の講演に参加したとき、彼女の人生は変わりました。それは、彼が主張したのは、根本的な新しい説明理論であるということについてでした。それはコンストラクター理論と呼ばれ、ドイチュによれば、それは私たちの最も基本的な物理学よりもさらに基本的な、一般相対性理論よりも深く、量子力学よりも微妙な一種のメタ理論として機能します。それを野心的と呼ぶのは、非常に控えめな表現です.
当時 22 歳だった Marletto は夢中になりました。 2011 年に、彼女は Deutsch と力を合わせ、過去 10 年間、コンストラクター理論を本格的な研究プログラムに変えてきました。
コンストラクター理論の目標は、物理法則を、反事実の形をとる一般原則、つまり何が可能で何が不可能かについての記述に書き直すことです。アルバート・アインシュタインを相対性理論に導いたアプローチです。彼も事実に反する原則から始めました。光の速度を超えることは不可能です。重力と加速度の違いを見分けることは不可能です。
コンストラクター理論はさらに多くを目指しています。量子力学と一般相対性理論を結びつける量子重力理論のような、私たちがまだ持っていないものも含めて、物理学の膨大なクラスの背後にある原理を提供することを望んでいます。コンストラクター理論は、すべての理論の母体を提供することを目指しています。これは、Marletto の新しい本のタイトルである完全な「できることとできないことの科学」です。
コンストラクター理論が実際に実現できるかどうか、またそれが通常の物理学と実際にどの程度異なるかは、まだわかりません。今のところ、Quanta Magazine ズームと電子メールで Marletto に追いつき、理論がどのように機能するか、そしてそれが宇宙、テクノロジー、さらには生命そのものの理解にとって何を意味するのかを調べました.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。
コンストラクター理論の中心にあるのは、物理学に対する私たちの通常のアプローチには何かが欠けているという感覚です。
量子論、一般相対性理論、さらにはニュートンの法則など、物理学の標準法則は、オブジェクトの軌跡と、与えられた初期条件でオブジェクトに何が起こるかという観点から定式化されています。しかし、自然界には軌道では捉えきれない現象がいくつかあります — 生命の物理学や情報の物理学のような現象です。それらを捉えるには、反事実が必要です。
どれですか?
「反事実」という言葉はさまざまな方法で使用されますが、私は特定のことを意味します。反事実とは、物理システムでどの変換が可能で、どの変換が不可能かについての声明です。タスクを実行し、それを再度実行する能力を保持できる「コンストラクター」があれば、変換が可能です。生物学ではこれを触媒と呼びますが、より一般的にはコンストラクタと呼ぶことができます。
物理学への現在のアプローチでは、いくつかの法則はすでにこの事実に反する構造を持っています — たとえば、エネルギー保存は、永久機関を持つことは不可能であるという声明です.
つまり、コンストラクターは永久機関であり、反事実は、使用可能なエネルギーから使用可能なエネルギーへのこの変換は不可能であると述べていますか?
はい。反事実は既存の法律に現れますが、これらの法律は二流と見なされます。彼らは心から組み込まれていません。コンストラクター理論は反事実を物理学のまさに基礎に置き、最も基本的な法則をこれらの用語で定式化できるようにします。
これは実際にどのように機能しますか?
たとえば、量子重力を考えてみましょう。一部の人々は、「実験的な証拠さえないのに、なぜ重力を量子化する必要があるのでしょうか?重力の古典的な理論と、他のすべての量子論を持つことができます。」コンストラクター理論は、重力が量子でなければならないことを証明する実験的テストのための堅牢で一般的な理論的基盤を提供してくれます。
このテストは、Vlatko Vedral と私によって提案され、Sougato Bose と共同研究者によって個別に提案されました。それは次のようになります:重力のみを介して相互作用する 2 つの量子質量の特性を測定します。彼らがもつれを起こした場合、もつれを引き起こしているメディエーターについて非常に強力な何かを結論付けることができます。それは重力です.これにより、メディエータが古典的であるはずがないと結論付けることができます — いくつかの量子機能が必要です.
Vlatko と私が証明したように、この結論に到達するための最も一般的な方法は、「相互運用性」と呼ばれるコンストラクター理論の原則を使用することです。これは、エンタングルメントが媒体を介してローカルで生成できる場合、その媒体は量子でなければならないことを意味します。重力がどのように量子であるかは問題ではありません — それがループ量子重力であろうとストリング理論であろうと、それ以外のものであろうと — しかし、それは量子理論でなければなりません。これは、コンストラクター理論の原則に基づいて考えるだけで、このレベルの一般性で考案できるテストです。
反事実は、古典理論よりも量子論においてはるかに重要または制約的な役割を果たしているようです。これが量子論の教訓だと主張する人もいるかもしれません。つまり、「これが世界で実際に起こっていることです」と明確で明確な方法で単純に言うことはできないということです。これが物理法則の別の定式化を要求するものですか?
量子論には多くの反事実がありますが、それは古典物理学にも当てはまります!量子情報と古典情報は、同じ一連の情報理論的特性の 2 つの側面です。量子情報が異なるのは、2 つの追加の反事実特性があることです。
まず、少なくとも 2 つの情報変数 (位置と速度など) があり、任意の高精度で両方を同時にコピーすることは不可能です。次に、これらの変数の変換を元に戻すことが可能でなければなりません。
したがって、量子論にはより多くの反事実がありますが、古典的な情報理論や古典的な熱力学でさえ完全に表現するには反事実が必要です。仕事や熱などの概念は、標準的な概念では創発的でおおよそのものと見なされるため、軌跡や運動の法則では完全に捉えることができません。コンストラクター理論では、可能な変換と不可能な変換に関する正確なステートメントを使用して、それらについて話すことができます。
OK、その変換を実行できるコンストラクターが存在する場合、変換は可能です。次に、各コンストラクターを構築できることを証明する必要がありますか?無限回帰に陥っていませんか?
向きを逆にする必要があると思います。熱力学を取ります。永久機関が不可能であると言うとき、そのステートメントは、永久機関のすべての可能なモデルをチェックし、それぞれに異なる初期条件と異なるダイナミクスを使用して徹底的に証明しなければならないものではありません.もしそれをしなければならないとしたら、それは非常に骨の折れる作業になるでしょう!
あなたがしていることは、可能なタスクと不可能なタスクの観点から法則を述べ、その結果を解決することです.たとえば、永久機関は不可能であるというこの一般的な声明がある場合、それを他のタスクの可能性または不可能性に関する他の声明と組み合わせて、熱機関が可能であることがわかります.そして、それはあなたに多くの予測力を与えます.それが論理です。あなたはこれらの声明を基本的なものと考えています。
David Deutsch は、コンストラクター理論を、どの変換を引き起こすことができるか、または引き起こすことができないか、およびその理由についての理論として定義しました。コンストラクター理論がどのように「理由」を提供するかを理解するのにまだ苦労しています。
まず、コンストラクター理論を使用しているか、現在のアプローチを使用しているかにかかわらず、実際の法則が何であるかについての推測を扱っているだけであることを明確にします。そして、これらの推測は常に間違っている可能性があります。しかし、コンストラクター理論を利用する場合、鍵となるのは、動的法則を推測するだけでは物理的現実のすべてを把握するには不十分だということです。コンストラクター理論によって与えられる追加の原則が必要です。
ですから、デビッドは、コンストラクター理論は単に可能なことと不可能なことのリストではないことを強調していると思います.これは、可能なタスクと不可能なタスクの特定のパターンが、物理的現実について現時点でわかっていることを最もよく捉えている理由を説明する理論です。次に、その説明理論に疑問を呈したい場合は、できます。しかし、それを改善するためにどのような説明を思いついたとしても、それ自体は、可能なタスクと不可能なタスクの観点から表現する必要があると推測されます.
下部に基本的な一連のタスクがありますか?たとえば、計算では、いくつかの基本的な論理演算から、他のすべての論理演算を構築できます。他のすべてのコンストラクターを作成できるいくつかの基本的なコンストラクターがあると思いますか?
要するに、はい、これは私たちがまだ実際に開発していないものです.偉大な物理学者であり数学者でもあるジョン フォン ノイマンは、チューリングの万能コンピューターよりも一般的であるはずの機械を推測しました。フォン・ノイマンはそれをユニバーサル・コンストラクターと呼んだ。彼は、たとえば、生きているシステムが自分自身のコピーを作成するなどのタスクを実行できることを考えると、ユニバーサル チューリング マシンはそれを実行できないことに気付きました。私の Mac は、できればいいのですが、退屈な原材料から別の Mac を作成することはできません!
そこでフォン・ノイマンは次のように尋ねました:チューリング マシンがより強力なマシンになり、それ自体を構築できるようにするには、チューリング マシンに何を追加する必要がありますか?多くのことを追加する必要があることがわかりました:機械が原材料をつかんで組み立てるための一連の道具、組み立ての説明書を読む機能などです。
ユニバーサル コンストラクターは、物理的に許可されたすべてのタスクを実行できるはずであるという意味で、チューリング マシンの類似物です。そして、私たちが持っている物理法則の下でそれが可能かどうかはわかりません.そして、フォン・ノイマンが最初にこれを提案してから 70 年経った今でも、私たちが知らない理由は、元の提案を採用して物理学に関連付けた人が誰もいなかったからです。
コンストラクター理論が普遍的なコンストラクターを物理的な用語で定義し、普遍的なコンストラクターが可能であると言うことができる原則を理解できるようになると、あなたの質問に対する答えが得られます — 基本的なゲートまたは基本的な可能なタスクが何であるかがわかります複雑なタスクを実行しようとしているときにユニバーサル コンストラクターがアピールできること。
通常、基礎物理学から始めて、それらのアイデアの応用としてテクノロジーを開発すると考えられています。これはほとんど逆のように思えます — 技術の可能性から始めて、それが基礎物理学につながります.
これは本当にかっこいいと思います。コンピューターやコンストラクターなど、非常に技術的に聞こえるものの特性を研究することで、物理法則の最も深い特徴を実際に研究することになります。私が量子情報の研究を始めたとき、それは私を魅了したものです.
最初は、量子情報は量子物理学をコンピュータ サイエンスに応用したものだと思っていましたが、そうではありません。これは、量子論そのものを理解するための最良のツールです。測定、EPR、エンタングルメント:量子論の創始者でさえ非常に不可解だったこれらのことはすべて、量子情報に携わる人々によって適切に解決され、同時に、彼らはユニバーサルな量子コンピューターを構築する方法を解決していました。 .
暗号のようにテクノロジーに非常に役立つことをできるのはとてもクールですが、同時にもつれや重ね合わせなどの基礎を研究しています。コンストラクター理論では、同じ種類のロジックをさらに一般的なレベルまでたどろうとしています。
したがって、コンストラクター理論から生まれる可能性のあるテクノロジーは、それ自体のコピーを含むあらゆる物理オブジェクトを構築できる、汎用 3D プリンターのようなものになるでしょう。これはユニバーサル コンストラクタです。
はい。
ユニバーサル コンストラクターは、ユニバーサル量子コンピューターでもありますか?それとも、ユニバーサル量子コンピューターを 3D プリントできなければならないのでしょうか?
適切な入力プログラムが与えられたときにマシンが実行できるタスクまたは変換のセットである、特定のプログラマブル マシンのレパートリーの観点から考えると、より有益です。その意味で、量子コンピューターであることと、十分な材料があれば量子コンピューターを構築できることは本質的に同じことです。なぜなら、マシンが別のマシンを構築できるようになると、最初のマシンはそれ自身のレパートリーに 2 番目のマシンのレパートリーを持つからです。ユニバーサル コンストラクターは、物理的に許可されたすべての計算を独自のレパートリーに持っています。つまり、ユニバーサル コンピューターでもあります。
ユニバーサル コンストラクターは、生きているシステムを出力することさえできるのでしょうか?
はい。生命の物理学は、普遍的なコンストラクターのこのより一般的な理論の一部と見なされます。また、物理法則のコンストラクター理論の基礎をよりよく理解することで、その分野に関連するタスクを実行するユニバーサル コンストラクターをプログラミングする方法がどのように得られるか想像できます。
たとえば、量子生物学の場合、ユニバーサル コンストラクターは、光合成が発生したときに植物細胞で何が起こるかを模倣するようにプログラムされており、それを改善する方法を考えていると考えることができます。特定のタスク用にプログラムされたユニバーサル コンストラクターの特定のインスタンスである、あらゆる種類のプログラム可能なナノマシンを想像できます。そして、これらすべての根底には、コンストラクター理論を研究することで明らかになる一連の原則があるはずです。それがビジョンです。
それで、普遍的なコンストラクターは生きたシステムを構築できますが、生きたシステム自体は一種の特殊目的のコンストラクターですか?
DNAはレプリケーターであり、細胞を構築するための指示を含んでおり、細胞はそれらの指示を読み取り、それ自体の新しいインスタンスを構築し、指示をコピーして新しい細胞に挿入することができる媒体です.そしてコンストラクター理論では、特に生命のために設計されたわけではない物理法則の下で、信頼できる自己複製が必要な場合に、これが可能な唯一の実行可能なメカニズムである理由を説明できます。つまり、物理法則の下で生命が機能する方法の 1 つであるだけでなく、それが機能する唯一の方法なのです。これは、地球上の化学物質で構築されているかどうかに関係なく、生物系の特徴です。
最終的に必要なのは、生命と非生命を区別するものについての理論であり、これまでのところ、定量的で予測的な答えはありません。この現象の根底にある法則は何ですか?欠けているのは生物学ではありません。生物学者はすでに仕事を終えています。彼らは進化論で見事に解決しました。現在、物理学者は基礎物理学の範囲内で問題を解決する必要があります。そして、コンストラクター理論がその問題に取り組むためのツールを提供できることを願っています.
