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重力が崩壊するとき

アルバート アインシュタインの一般相対性理論は 100 年以上前のものですが、今でも物理学者を悩ませています。アインシュタインの方程式は解くのが恐ろしく難しいだけでなく、物理学者のもう 1 つの最も重要な成果である量子論とも衝突します。

問題は、粒子が量子特性を持っていることです。たとえば、一度に 2 つの場所に配置できます。これらの粒子にも質量があり、質量が重力を引き起こします。しかし、重力には量子特性がないため、量子重ね合わせにおける粒子の引力が何であるかは誰にもわかりません。この問題を解決するには、物理​​学者は量子重力の理論を必要とします。あるいは、アインシュタインが重力は実際には時空の曲率であると教えてくれたので、物理学者は空間と時間の量子特性の理論を必要としています.

これは、理論物理学者のような頭脳明晰な人にとっても難しい問題です。彼らは 1930 年代から、自然の法則に秩序をもたらすには量子重力が必要であることを知っていましたが、80 年経っても解決策は見えていません。進歩への道における主な障害は、実験的ガイダンスの欠如です。量子重力の影響は非常に弱く、測定されたことがないため、物理学者は数学に頼るしかありません。そして、数学で迷子になるのは簡単です。

量子重力の観測証拠を得ることが困難な理由は、現在可能なすべての実験が 2 つのカテゴリーに分類されるためです。小さくて軽い物体を使用して量子効果を測定するか、大きくて重い物体を使用して重力効果を測定します。どちらの場合も、量子重力効果はごくわずかです。量子重力の効果を見るには、顕著な量子特性を持つ重い物体が本当に必要ですが、それを手に入れるのは困難です.

物理学者は、量子重力が関係するはずの自然に発生する状況をいくつか知っています。でも近距離じゃないですよね、よく耳にしますけどね。量子化されていない重力は、エネルギー密度が大きくなり、時空の曲率が強くなる状況では、実際には機能しません。そして、天体物理学者が「強い」曲率と見なしているものは、量子重力の研究者にとっては依然として「弱い」曲率であることを明確にさせてください。特に、ブラック ホールの地平線の曲率は、顕著な量子重力効果を引き起こすほど強くはありません。

一般相対性理論を破綻させるほど強い曲率は、ブラックホールの中心とビッグバンの近くにしか存在しないと考えられています。どちらの場合も、強く圧縮された物質は高密度で、量子重力効果を引き起こす顕著な量子挙動を示します。残念ながら、ブラック ホールの内部を見ることはできず、現在の測定技術を使用して今日の観測からビッグバンで何が起こったかを再構築しても、量子重力の挙動を明らかにすることはできません。

量子重力が関連する体制は、非常に高い重心エネルギーでの粒子衝突でも到達する必要があります。十分な大きさのコライダーがあれば (現在の技術では天の川ほどの大きさになると推定されています)、空間の小さな領域に十分なエネルギーを集中させて、十分に強い曲率を作り出すことができます。しかし、すぐにそのようなコライダーを構築するつもりはありません。

強い時空の湾曲に加えて、重力の量子効果が測定可能になる必要がある別のケースがありますが、これはしばしば無視されます:重い物体の量子重ね合わせを作成することによるものです。これにより、物質には量子特性があるが重力にはないという近似 (「半古典的限界」) が崩れ、重力の真の量子効果が明らかになります。いくつかの実験グループは現在、そのような効果に敏感になる可能性のある体制に到達しようとしています.まだ何桁か残っているので、まだ十分ではありません.

なぜ物理学者はこの事例を詳しく研究しないのですか?いつものように、なぜ科学者があることをし、別のことをしないのかを言うのは難しい.理論的な観点から、このケースはそれほど興味深いものではないためだと推測できます。

物理学者は量子重力理論を持っていないと言いましたが、それは部分的に正しいだけです。重力は、リチャード・ファインマンとブライス・デウィットによって 1960 年代にすでに通常の量子化方法を使用して量子化することができ、実際に量子化されています。しかし、この方法で得られた理論 (「摂動量子重力」) は、物理学者が使用したい厳密な曲率領域 (「摂動的にくりこみ不可能」) で崩壊します。したがって、このアプローチは現在、まだ発見されていない完全な量子重力理論 (「UV 補完」) に対する低エネルギー近似 (「有効理論」) にすぎないと考えられています。

1960 年代以降、量子​​重力に関するほとんどすべての研究努力は、その完全な理論の開発に集中していました。最もよく知られているアプローチは、弦理論、ループ量子重力、漸近安全性、因果的動的三角形分割です。しかし、量子重ね合わせにおける重い物体に関する上記のケースは、強い曲率を誘発しないため、1960 年代からの退屈でおそらくよく理解されている理論の領域に陥ります。皮肉なことに、このため、量子重力の完全な理論への主要なアプローチのいずれからも、そのような実験の理論的予測はほとんどありません.

現在、この分野のほとんどの人は、摂動的な量子重力が量子重力の理論の正しい低エネルギー極限であるに違いないと考えています。ただし、少数派はそうではないと考えており、このクラブのメンバーは通常、次の理由の 1 つまたは両方を挙げています。

最初の反論は哲学的です。より基本的であると思われる理論 (量子重力) を基本的ではない理論 (非量子重力) から導き出すことは、概念的にはあまり意味がありません。実際、Yang-Mills 理論の量子化手順は論理的な悪夢です。非量子論から始めて、別の理論を得るのをより複雑にしますが、それは厳密に言えば派生ではありません。そして古典的な極限を取ると、まったく良い解釈のない理論が得られます。では、なぜそこから始めたのですか?

明白な答えはこうです:私たちはそれがうまくいくからそうするのです。私たちがこのようにするのは、歴史的な偶然のためです。私のようなプラグマティストにとってそれは何も悪いことではありませんが、同じ方法が重力に適用されるべきだと主張する説得力のある理由でもありません.

摂動的量子化に対する 2 番目の主張としてよく挙げられるのは、水を量子化しても原子物理学は得られないということです。したがって、重力が基本的な相互作用ではなく、多数の微視的な構成要素 (「時空の原子」と考えてください) の集団的挙動から生じると考える場合、一般相対性理論を量子化することは単純に間違ったことです。

重力は未知の微視的構成要素のバルク理論であるというこの見方をする人々は、「創発的重力」と呼ばれるアプローチに従います。 Ted Jacobson、Thanu Padmanabhan、および Erik Verlinde の (独立した) 観察によって、重力の法則は熱力学的法則のように見えるように書き直すことができることが裏付けられています。このことについての私の意見は、「これまでで最も驚くべき洞察」と「ほとんど関連性がないことを除けば好奇心旺盛」の間で、時には 1 日に数回繰り返されます。

いずれにせよ、創発的重力が量子重力への正しいアプローチであると考えるなら、私たちが知っているような重力がどこで崩壊するかという問題は複雑になります。高曲率でも壊れるはずですが、一般相対性理論からの逸脱が見られる状況がさらにあるかもしれません。

たとえば、Verlinde は暗黒物質と暗黒エネルギーを量子重力の遺物と解釈しています。あなたがこれを信じるなら、私たちはすでに量子重力の証拠を持っています!時空が微視的な構成要素でできている場合、粘性などのバルク特性を持っているか、通常は複屈折や光の分散などの結晶に関連する効果が生じる可能性があると示唆する人もいます。

要約すると、重力の量子効果が強い時空の曲率に関連するはずであるという期待は、議論の余地のない外挿に基づいており、この分野のほぼ全員がそれに同意しています.* 量子重力への特定のアプローチでは、一般相対論からの逸脱も長距離、低加速、または低エネルギーで適切になります。無視されがちな可能性は、重い物体の量子重ね合わせで量子重力の効果を調べることです。

私が生きているうちに、量子重力の実験的証拠が見られることを願っています.

Sabine Hossenfelder は の研究員です。 フランクフルト高等研究所 ここでは、標準モデルを超えた物理学、現象論的な量子重力、および一般相対論の修正に取り組んでいます。物理学の基礎で何がうまくいかないのかについてもっと知りたい場合は、彼女の本を読んでください Lost in Math:美しさが物理学を迷わせる方法.

* 時々私を除いて.

見る:私たちは物理学の偉大な理論を統合することができます.

この投稿は、Hossenfelder のブログである BackRe(Action) で最初に公開されたものであり、許可を得て転載しています。


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