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宇宙を割った神童


1972 年、Frank Wilczek と彼の論文顧問の David Gross は、素粒子物理学の標準モデルの最後の柱である強い力の基本理論を発見しました。彼らの研究により、原子核内で奇妙な錬金術が働いていることが明らかになりました。また、初期宇宙に関するその後の研究のほぼすべてを支えていることが判明しました。 Wilczek と Gross は、この業績で 2004 年のノーベル物理学賞を受賞しました。完成時、ウィルチェクはわずか 21 歳でした。

それ以来、数十年にわたる彼の影響は深刻です。彼は、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子の存在を予測しました。アクシオンは、今日の暗黒物質の主要な候補です。彼は初期宇宙の性質に関する画期的な論文を発表しました。そしてちょうど昨年、2 次元系にしか現れない奇妙なタイプの粒子である「エニオン」に関する彼の予測が実験的に確認されました。

Wilczek はニューヨーク州クイーンズで移民の息子として育ち、公立学校で育ちました。彼は高校を2年で、大学を3年で卒業した。彼はマサチューセッツ工科大学で 20 年間教鞭をとってきましたが、パンデミックの前は多くの時間を世界中を飛び回り、アリゾナ州立大学、ストックホルム大学、上海交通大学で同時に任命され、Wilczek Quantum を指揮しました。センター。

Wilczek の最新の本、Fundamentals:Ten Keys to Reality 、今日出てきます。 Wilczek は Quanta に語った 彼は「これまでの人生で成し遂げたことと同じくらい、この本を誇りに思っていた」と述べています。

量子 12 月にマサチューセッツ州コンコードの自宅で、Zoom を介して彼に 2 回会いました。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。

おめでとうございます基礎 .この本のアイデアはどのように思いついたのですか?

まあ、最初のアイデアは、本が判明したものとはかなり異なっていました.私はこの小さな本を書き、物理世界に関するいくつかの基本的な事実を伝えようとしていました。私はそれを、人々が読んで、以前よりも多くのことを知っていると感じることができるもの、カクテル パーティーで話す材料を提供するものだと考えました.

しかし、下書きをまとめると、自分が作成したものに満足できませんでした。それをしている本はすでにたくさんありますよね?そして、私が非科学的な友人たち (知的な人々、芸術家、文学者など) と話をしたとき、彼らが読みたいと思うものは何もないように思えました。



それで私は自分の机に戻り、私が十代の頃、私が育ったカトリック信仰から離れようとしていたとき、科学と宇宙における私たちの位置についての本で何を探していたのかを考えました. ?その時、私にとって何が役に立ちましたか?私が最終的に書いた本はその本でした.

あなたの本にはたくさんの神が登場します.

はい。

あなたと同じレベルの科学者で、そこに行く人はあまりいないでしょう。

これらの問題は、科学者が議論の余地を残しておくにはあまりにも重要だと思います.

ご存知のように、科学は実際、神とは何か、または神が何をしたかについて多くのことを述べています。彼/彼女/その仕事を理解することは、神が何であるかについて自分自身に知らせる直接的な方法です.ガリレオ、ケプラー、ニュートン、マクスウェル、アインシュタインにまでさかのぼる、宗教的な問題を考察する素晴らしい伝統があります。それらの人々のほとんどは、はっきりと、深く宗教的にクリスチャンでした.

もちろん、アインシュタインはそうではありませんでした。彼は、スピノザに似た、一種の汎神論、神としての世界のより抽象的な考えの態度を持っていると自分自身を説明しました.

私が 10 代の頃、家族のカトリック信仰に疑問を抱いていたとき、この補完性の概念に出会いました。これは私を大いに助けてくれました。多くの場合、同じものを別の方法で説明することがあります。それらはそれぞれ独自の条件で有効である可能性がありますが、調整が非常に困難であるか、不可能でさえある場合があります。宗教と科学の間の対立の多くは、異なる質問に答えているために生じます。宗教が間違ったことを言っている紛争はたくさんありますが、異なる問題に取り組んでいる分野は他にもたくさんあります.

科学では、「これはどのように機能するのですか?」と広く尋ねています。宗教では、「これは何を意味し、どうすればよいのか?」と尋ねています。

あなたは宗教的ですか?

物理学は私の宗教的信念です。物理学では、可能性に富み、実現に富み、ファンタジーの余地が十分にある幻想的に素晴らしい世界を発見するという意味で、法則は非常に奇妙であり、理解しなければならないことがたくさんあるからです。そして、それを理解すると、それがどのようになるかが理解できます.

私は自分自身がとても小さいことを学びます。しかし、ウォルト・ホイットマンが言ったように、私は多数を含んでいるので、私も非常に大きい.情報を処理できます。私は物事を理解することができます。想像できます。私は楽しむことができます。それが私の宗教の本質で​​す。私は、世界が何であり、どのように機能するかを研究することから、自分の宗教を学びます.

宇宙とその中での自分の居場所を理解しようとしていたこの 10 代の少年について、もう少し教えてください。

私はニューヨーク市、クイーンズで育ちました。私の両親は移民でした。ポーランド出身の父。イタリア出身の母。

私たちは上層階級と下層階級の間のどこかにいたと思います。私の父は技術者として働いていました。私の母は専業主婦でした。大学に行ったことはありませんでしたが、どちらも非常に頭が良かったです。父は大恐慌の間、家族を養うために高校を中退しなければなりませんでした。しかし、彼らは自分たちの子供たちが自分たちよりも良い生活を送るべきだという考えに非常に熱心でした.

また、私たちはニューヨークに住んでいて、公立学校制度にアクセスできたことも非常に幸運でした。学校に入学した瞬間から、IQテストを受けました。私が高得点をとったとき、両親が呼ばれてこう言われました。彼を助けるためにあらゆることをすべきです。」

家に天才がいることに彼らはどのように反応しましたか?

学校が私の頭の良さを伝え始めると、家族内のダイナミクスが変わりました。私は彼らがもうボスになれるような小さな子供ではありませんでした。彼ら自身は非常に頭が良かったのですが、私は彼らを少し怖がらせていたと思います.

彼らは、私たちがそれらを買う余裕がなかったにもかかわらず、賢いおもちゃを手に入れることを許してくれました - 機械のおもちゃや望遠鏡.科学と哲学の本を扱う特別な書店に行きました。私にとって大きな意味を持つバートランド・ラッセルの本をたくさん読みました。私の両親は私にちょっと戸惑ったと思います。私が変なことをしたいと思ったとき、彼らは私にやらせてくれました。母は私を偶像視していたと思います。私はある種の科学者になると想定されていました。彼女はいつも「あなたは癌を治す」と言っていました。

ここで非常に失礼なことを言います。学校でこの種の非常に客観的で偽りのない検証を得たという事実は、私に大きな自信を与えました.さまざまなテストや大会で好成績を収めました。とても自信がありました。それは私の人生の残りの間私と一緒にいました。科学者が知的リスクを冒すには、そのような自信が必要です。

ブロンクス科学高校に通っていましたか?

いいえ、それは 1 時間の通勤距離でした。私はクイーンズにある非常に大きな公立高校、Martin Van Buren に通い、他の約 20 人の子供たちと一緒にオタクの道を歩んでいました。私たちは皆、同じ AP クラスに通い、一緒に遊びました。今でも連絡を取り合っています。

私が 16 歳でシカゴ大学に行ったとき — 私は 2 学年飛び級しました — 全体として、そこの学生はヴァン ビューレン時代の仲間ほど優秀ではありませんでした。一方、教授たちは別の面にいました。彼らは物事を大局的に理解したいと思っていました。シカゴでは、少なくとも学部からは、人類の知的探求の最先端に触れていると感じました。私には無定形の野心がたくさんありました。シカゴは、自分がやりたいことを見つけようとするのに適した場所でした.

たとえば、研究室での仕事は自​​分に向いていないことがすぐにわかりました。私はそれがうるさい仕事であり、反復的である可能性があることを見ました.そこで私は、コンピュータ サイエンス、物理学、生物学の探求を続けました。私は保留パターンでした。パズルをするのが好きだったので、最終的には数学に落ち着きました。それは、広い意味で方程式を解いてデータを操作するという考えと融合しました。数学的論理を使用して心の仕組みを調査したいなど、漠然としたアイデアがありました。

数学はうまくいきましたか?

大学の専攻として、それはしました。私は 3 年で卒業し、その後プリンストン大学で数学の大学院に進みました。そこで大きなショックを受けました。

大学院は、他の人がすでに理解していることを学ぶことではなく、何か新しいものを生み出すことでした.彼らは私に黒板のあるオフィスを与えてくれて、「何か面白いことをしなさい」と言ってくれました。いきなり大人扱いされました。これは本当に難しいと思いました。私は一種の危機に陥りました。

しかし、その後、私は途方もない幸運に恵まれました。奇跡が起きました。たまたま物理学の講義に参加したことがきっかけで、場の量子論がどのように機能し、それが強い相互作用に適用できるかを理解するというこのプロジェクトに参加することになりました。それは基本的に、私がこれまでに試みた最初の本格的な研究でした。そしてうまくいきました!



そしてそれはノーベル賞に直結した。誰もできない難しい計算をしました。私は、はるかに経験豊富な科学者である David Gross と共同研究を行っていました。そしてとても素晴らしい。彼と一緒に仕事をして、私は本当に貢献していると感じました。その後の数年間、私はこれらのアイデアの成功したアプリケーションを次々とスピンオフしたり、アクシオンのような他の創造的なことを行うことができましたが、それはずっと後のことでした.

私たちが提案している理論が正しければ、それは非常に大きな問題になる可能性があることがすぐにわかりました.私はデービッドに、「実験がこれを裏付けるなら、ノーベル賞を受賞するだろう」と言ったのを覚えています。さて、賞は 30 年後の 2004 年に来ました。しかし、個人的な検証は瞬時に行われました。 1972 年の冬に計算を行い、春に発表しました。その夏、私は最初の会議に参加しました。ダウニングタウン・インと呼ばれる場所にある、とても小さな建物でした。でもファインマンはそこにいた、 ファインマンと彼は私たちの仕事について話しました。彼は「これは本当に重要だ」と言いました。私は 21 歳でした。

このような驚くべき初期の成功により、あなたは不自由になったかもしれません.多くの人がそうです。

全くない。私がしている仕事にとって、自信を持つことは純金だと思います。新境地を切り開くには、進んで挑戦し、リスクを冒す必要があります。私の初期の成功のおかげで、私が犯した過ちは、それほど壊滅的なものではありませんでした.

正直、作ったことあります。一つは機会損失のミスでした。私はインフレを発見するべきだったと感じています。必要な部品はすべて揃っていました。私は適切な種類の知識を持って、適切なタイミングで適切な場所にいました。他のことを考えていたところです。

近年の私の大きな成功の 1 つは、タイム クリスタルの概念を提案したことです。しかし、初期の論文では、私の主な例はあまり良くないことが判明しました。技術的に不安定でした。それは科学的に正しいものではありませんでした。全体的な方向性は良好でしたが、詳細な実装は不十分でした。

過ちを犯したとき、自分に何と言い聞かせますか?

私はそれにこだわらない。聞いてください、私は想像力豊かなアイデアを扱うのが好きです。間違いは、それを行うことの代償になることがあります.

あなたの想像力豊かなアイデアの 1 つであるアクシオンについて話しましょう。それらは暗黒物質を構成する仮説上の粒子であり、したがって初期宇宙を理解するための鍵となる可能性があります。あなたは 40 年以上にわたって、それらについて理論化し、発表してきました。アクシオンを始めたきっかけは何ですか?

1977 年の夏のある夜、私はフェルミ研究所で長い散歩をし、ヒッグス粒子に関する問題について考えることにしました。まず、それらをどのように検出するかを考えました。私は基本的に問題を解決しましたが、それはかなり後になるまで明らかになりませんでした。次に、ヒッグス場が複数あるのではないかと考えたのですが、その可能性について何か面白いことがあれば教えてください。私が思いついた最も興味深いアイデアは、ヒッグス場が複数あると対称パターンを持つことができるというものでした。

翌日、私は図書館に行き、これらすべての質問に対して人々が何をしたかを調べました.ロベルト・ペッチェイとヘレン・クインは、ヒッグス対称性を考察しただけでなく、それが物理学の根本的な問題に対処できることを示したことがわかりました。しかし、ペッセイとクインは、対称性の非常に驚くべき結果、つまり、現在アクシオンと呼ばれる非常に軽い粒子の存在に気づいていませんでした。私の最初の考えは、そのような粒子が存在するなら確実に観測されているだろうということでした.

しかし、より綿密に検討するにつれて、アクシオン (最初からアクシオンと呼んでいたもの) が存在する可能性があるのではないかと徐々に確信しました。このような基本的な質問を尋ねたり、場合によっては答えたりする新しい方法に出くわすことはめったにないので、私は夢中になりました.

数年後、私はスティーブン・ホーキングから伝説的な会議に招待されました.1982年にケンブリッジで開催されたナフィールド会議では、初期宇宙論が主な主題でした.スティーブンは私に要約の話をするように頼んだ。私はこの機会に応え、いくつかの新しいアイデアを提示するように努めるべきだと感じたので、アクシオン フィールドがビッグバン後にどのように落ち着くか、そしてそれが観察可能な遺物を残すかどうかという問題を提起しました.

ジョン・プレスキル、マーク・ワイズ、そして私はこれを解決し、実際には多くのアクシオンが残っており、それらは宇宙学者が必要と思われる「暗黒物質」を供給するのにちょうど良い特性を持っていることを発見しました.



あなたと他の人たちが強力な打者だったという事実を考えると、物理学の世界のロドニー・デンジャーフィールドが長い間アクシオンだったのはなぜですか?彼らはあまり尊敬されませんでした。

ええと、アクシオンは非常に異なる種類の粒子であり、以前のものとはまったく異なりました。その背後にある深い理論的アイデアを理解していなければ、アクシオンは奇抜に見えました。

それは変わった。暗黒物質の主張はより強くなり、アクシオンの人気が高まっています。確かに、宇宙に暗黒物質があるという主張は現在非常に強く、ほぼ普遍的に受け入れられています。暗黒物質はおそらく何らかの新しい種類の新しい粒子であるということも、ほぼ普遍的に受け入れられています。それは、非常に多くの独立した証拠に適合します。そして、それはアクシオンかもしれません。アクシオンには適切な特性がすべて備わっていますが、これは決して些細なことではありません。

また、アクシオンが対処するように設計された元の根本的な問題、つまり法則が時間的に前後に同じように見える理由というこの問題は、ほぼ 50 年前から存在しており、アクシオンは唯一有効な解決策です。だから私たちはそれが必要です。それが必要です。暗黒物質が実際にアクシオンであるという発見を期待できると思います.

長い間、暗黒物質の代替有力候補は WIMP と呼ばれるものでした。道端に落ちましたか?

そう思います。それは超対称統一理論から生まれるはずで、確かに魅力的なアイデアでした.

しかし、何が起こったのかというと、大型ハドロン衝突型加速器では超対称性が発見されず、その後、他の多くの WIMP の検索でも発見されなかったため、それらに対する経験的事例が増えました。消去法により、アクシオンは最後の一人として残った。さて、WIMP 理論のすべての修正が除外されたというのは、まったく真実ではありません。しかし、アクシオンはますます良くなっているのに対し、WIMP はますます妥当ではなくなりつつあります。

アクシオンが暗黒物質であることが証明されたら、物理学の世界を再び揺るがすことになるでしょうか?

はい、いいえ。アクシオンがそれである場合、それについての十分に確立された理論体系がすでに存在するため、すべてを揺るがすことはありません.基本的なコンセプトは 40 年前からあります。何千もの紙があります。それでも、理論的な憶測を持つことと、世界を持つことは別のことです。

私は axion の作業を楽しんでいます — 楽しかったです。他の人たちと一緒に、私は 1980 年代初頭にそれが暗黒物質の候補である可能性があると提案し始め、それを探す新しい方法が開かれました。解決済みのQCD(強い相互作用の理論)と比較して、取り組むのは興味深い概念でした。今日、多くの人がアクシオンに取り組んでいます。それは刺激的で、若い人たちとのつながりを保っています。

一方で、基本法則の構造の一部である強力な相互作用について、デビッドと私が行ったこととはまだ同じではありません.

今何に取り組んでいますか?

いくつかのこと — 折衷的なミックス。私は、最終的にそれらを検出するアクシオン アンテナの設計に積極的に取り組んでいます。そのために、実験家や工学系の人々と一緒に仕事をするのはとても楽しいです。

私はエニオンと呼ばれる物質の状態に取り組んでおり、物理学のまったく新しい領域を切り開き、コンピューティングを変える可能性があると考えています。量子情報理論に関連する何かについて、別の素晴らしいアイデアがあります。

タイムクリスタルのフォローアップに非常に興味があります。当初の予想を超えて順調に成長したと思います。そして、それはさまざまな方向に進んでいます.

パンデミックのために、これらのプロジェクトを保留にしなければならなかったことはありますか?

大野。いいえ!彼らはそれのために育てられてきました。私はぐるぐる回って会議や旅行に行くわけではありません。つまり、私はよりよく食べています。私は15ポンドを失い、ジャグリングを始め、運動をしました.創造的な思考をする時間を与えてくれました。ある意味、大学院生のように学校に戻ってきました。機械学習についてもっと学びたい。私は 5 月に 70 歳になりますが、ここ数年感じていたよりも若く感じます。

私が10代の頃、すべてをまとめようとしていたとき、人生は質問に対する答えを見つけることだと思っていました。今では、良い答えがより良い質問につながること、そしてそのサイクルには終わりがないことを学んでいます.



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