Zvi Bern は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の理論素粒子物理学者というよりも、ベガスでポーカー サメにふさわしい連勝を続けています。彼は、重力を与えると信じられている仮説上の粒子であるグラビトンの挙動をより正確に計算できると同僚に賭けたことで、彼の分野で有名です。各賭けに賭けるのは、上質なワインのボトルです。予想に反して、ベルンのワイン コレクションは増え続けています。
インペリアル・カレッジ・ロンドンの素粒子物理学教授で、ベルンの頻繁な反対者であるケリー・ステルは、「残念ながら、私はこれらの賭けで負けた側にいました」と語った。ただし、それぞれの損失には慰謝料があります。ベルンと彼のチームがますます洗練された計算を実行するにつれて、彼らが量子重力の作業理論の枠組みを持っている可能性が高まります。これは、惑星を星に係留し、足を地面に固定する力の量子スケールの源を説明します.
「私は彼に言い続けています。彼は負けるわけにはいきません」とベルンは言いました。
物理学者は 80 年間、量子重力の理論を探してきました。重力子は個別に検出するには弱すぎるが、ほとんどの物理学者は、粒子が群れを成して量子領域を歩き回り、光が光子と呼ばれる粒子の巨視的な効果であるのと同じように、それらの振る舞いがどういうわけか集合的に重力の巨視的な力を生み出すと信じている.しかし、重力粒子がどのように振る舞うかについて提案されたすべての理論は、同じ問題に直面しています。よく調べてみると、数学的に意味がありません。重力子相互作用の計算は、最初はうまくいくように見えるかもしれませんが、物理学者が計算をより正確にしようとすると、「無限大」という意味不明な答えが返ってきます。 「これは量子化された重力の病気です」と Stelle は言いました。
しかし今、ベルンは、重力子の効果を反映する新しい重力関連粒子の存在を仮定する超重力と呼ばれる、かつて脇に追いやられていた理論に大きく賭けています。 1970 年代に開発された超重力には無限の問題があると長い間考えられてきましたが、これは理論に数学的な欠陥があることを示しています。しかし、その計算は非常に難しかったので、「ベルンと彼の友人たちがやってくるまで」誰も確実に知ることができませんでした.新たに発見されたツールとショートカットを使用して、ベルンと彼のチームは現在、これらの重力相互作用をますます正確に計算しています。爆発する代わりに、理論は理にかなっています.
超重力自体は、より対称的な理論世界向けに設計されているため、自然を正確に説明することはできません。しかし、この理論がベルンの現在の Stelle との賭けに耐えられれば、物理学者がより現実的な理論を構築するために必要な足場を提供できる可能性があります。 「それは、超重力が非常に特殊な構造を持っていることを意味します」とベルンは言いました。 「重力理論を解き明かす鍵になると信じています。」
ベルンの計算は、重力の完全な性質を理解するためのより大きな推進力の一部です。彼は衝突する一握りのグラビトンを扱っていますが、量子重力の究極の理論は、ブラックホールを構成する強力な群れも理解する必要があります.ブラック ホールによって提示された深遠な概念的パズルは、真の理論が宇宙に対する根本的な新しい視点を要求することを示唆しています。空間と時間は単なる幻想です。別のアプローチの 1 つは、特定の粒子相互作用の計算を簡素化し、物理学者がいくつかのパズルを解決するのに役立つオブジェクトである振幅面体を利用します。
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学教授で、ブラック ホールのパラドックスの第一人者であるスティーブ ギディングズ氏は、次のように述べています。 「計算でブラック ホールの輪郭を見ることができます。」
ゴー クォンタム
アルバート アインシュタインは、重力は空間と時間の曲線の結果であると理論付けました。重い物体の重さで時空構造が伸びると、小さな物体がそれらに向かって落下します。アインシュタインの理論は、リンゴが地面に落ち、地球が太陽の周りを回る巨視的なスケールで重力を説明するのに完璧に機能します。しかし、重力相互作用の結果を計算するための彼の方程式が、時空構造の可能な限り小さな波紋 (グラビトンとして知られるエネルギーの束) に適用されると、計算はうまくいきません。 「アインシュタインの重力は無限に汚染されています」と Stelle は言いました。
問題は、重力子が理論的に無限に多くの方法で相互作用できることです。物理学者は、相互作用中に粒子が変形またはシャッフルするさまざまな方法の図を描き、さまざまな図の可能性を合計することによって、粒子相互作用のさまざまな結果の確率を表す数値である「散乱振幅」を計算します。 (これらの図は、発明者であるリチャード ファインマンにちなんで「ファインマン ダイアグラム」と呼ばれています。) ありそうもないことですが、入り組んだダイアグラムの数が、ありそうな単純なダイアグラムの数をはるかに上回っています。これは、新しいレベルの精度ごとに散乱振幅を計算するには、指数関数的に多くのファインマン ダイアグラムを描き、非常に複雑な数式を解く必要があることを意味します。場合によっては、これらの式がきれいに単純化されます。アインシュタインの方程式で定義された重力子相互作用については、そうではありません。
超重力は、アインシュタインの理論に新しい「超対称性」を追加することで助けようとします。鏡のように、これらは、あるタイプの粒子が存在する場合、反対のタイプも存在する必要があることを示しています。 Nと呼ばれる理論の変種では =8 超重力には、そのような 8 つの倍加があり、新しい鏡像粒子により、物理学者は式のより厄介な部分の一部を相殺することができます。このアプローチは、精度の最初の 4 つのレベルで機能します。しかし、専門家は、計算をより正確にしようとすると、無限が再び頭をもたげるだろうと長い間疑っていました.ストーニーブルック大学の物理学者である Kristan Jensen は、次のように説明しています。
ベルンによれば、その長年の仮説は「真実ではないかもしれない」。
1990 年代に、ベルン、カリフォルニア州メンロ パークにある SLAC 国立加速器研究所のランス ディクソン、およびフランスの CEA サクレイのデビッド コソワーは、散乱振幅を計算するための強力な新しい手法を開発し、2014 年の J. J. 桜井理論粒子賞を受賞する予定です。 4月は物理。彼らのショートカットは、自然の既知の粒子に関する計算を合理化し、理論家がスイスの大型ハドロン衝突型加速器での衝突の結果を驚くほど正確に予測し、これらの予測からの逸脱の形で「新しい物理学」を探すことを可能にしました。 2000 年代半ばに、ベルン、ディクソン、コソワーなどの共同研究者は、数十年前に放棄された、はるかに理論的で手ごわい超重力計算にもこの手法を適用し始めました。計算が有限の結果を出し始めたとき、「それは信じられないほどの衝撃でした」と、ベルンと協力しているスタンフォード大学の物理学者、ジョン・ジョセフ・カラスコは言いました。
超重力計算を完了するための最も強力な近道は、CERN 研究所の Bern、Carrasco、および Henrik Johansson による、重力子が 2 つのコピーのグルオンのように振る舞うという発見から生まれました。グルオンは、原子核内でクォークを互いに「接着」する強力な核力のキャリアです。 .グラビトンとグルーオンの間のこの「二重コピー」関係は、研究者が研究した超重力のすべての変種に現れており、超対称性が自然界に存在するかどうかに関係なく、量子重力の正しい理論にも当てはまると期待しています。実際には、この発見は、グルオンの散乱振幅が特定の形式で特定の精度レベルで計算されると、「重力振幅の抽出は子供の遊びです」と Dixon 氏は述べています。
ダブルコピー プロパティは、単なる計算ツールではありません。 「これはまた、重力理論をどのように見るべきかという哲学的な変化でもあります」とベルンは言いました。 「これは非常に具体的であり、[グラビトンとグルオン] が実際に一緒に属していることを完全に明確にしています。それらは本当に統一理論の一部であるべきです。」
ギディングスの言葉を借りれば、「それは非常に示唆に富むものです」。物理学者は、量子色力学と呼ばれるグルオンを説明する操作可能な量子理論を持っているため、二重コピーの性質は、超重力 (または関連する理論) も機能する可能性があることを示唆しています。
Stelle との最新の賭けでは、Bern と彼の協力者は N を対象とします =前例のないテストへの8つの超重力。 4.8 時空次元の架空の世界で重力子が「5 ループ」として知られるレベルの精度で衝突したときに何が起こるかを計算できれば、ベルンが勝ちます。その場合、ステルはイギリスのチャペル ダウン ワイナリーのフリント ドライのボトルを彼に渡さなければなりません。 「ウィリアムとケイトの結婚式で出されたワインです」とステルは説明した。
一方、計算で 4.8 次元の無限大が得られた場合、Stelle が勝ちます。その場合、ベルンはナパ バレーのスタッグス リープのボトルで落ち着かなければなりません。
もちろん、分数次元は実際には存在しません。しかし、Stelle と彼の同僚は、4.8 次元の 5 ループ計算が、現実世界の次元でのはるかに難しい 7 ループ計算にほぼ対応することを示しました。 (完全な 7 ループの計算は、ベルンとカリフォルニア大学サンタバーバラ校のノーベル賞受賞者 David Gross との間の別の賭けの主題です。) 理論がその程度まで有限のままである場合、「それは本当の奇跡になるでしょう」ステルは言った。 N の粒子間の調和のとれた相互作用 =8 超重力は物理学者の理解を超えている.
ベルンとステルの間の賭けがどうなるかを言うのは時期尚早です。しかし、12 月に Physical Review Letters に掲載された研究では、ベルンのチームは、N と呼ばれる理論の別の変種の「予想よりもはるかに優れた動作」を発見しました。 =4 超重力、そしてその結果はオッズを変更しました. 「今、状況が好転しているといっても過言ではありません」とベルンは言いました。
ブラックホールの苦悩
アインシュタインの理論では、時空における避けられない急勾配の曲線として説明されていますが、より基本的なレベルでは、グラビトンの観点からさえも説明を超える複雑な量子システムです。これらのシステムを説明するには、自然がどのように機能するかについて根本的な新しい視点が必要になる場合があります。
ブラック ホールは、粒子が 100 億個以上の陽子の総エネルギー (「プランク エネルギー」と呼ばれる) と衝突するときに形成されます。このような高エネルギーでは、散乱振幅の大まかな近似を作成するためにも、無数のファインマン ダイアグラムが必要になります。これは、ブラック ホールの詳細な量子特性を直接計算しようとする物理学者の努力を台無しにします。N によって支配される高度に対称的な世界であってもです。 =8 超重力。低エネルギーの重力子を高エネルギーに外挿するベルンと彼の同僚の計算は、おなじみのブラック ホールの図、つまり時空の急な曲線の図を大雑把に再現しています。しかし、この外挿は、ブラック ホールに関する物理学者の最も深い疑問、すなわち落下した粒子に関する情報に何が起こるか (いわゆる情報のパラドックス) に対処するには詳細ではありません。
量子力学の原理によれば、粒子の状態に関する情報は決して破壊されません。したがって、粒子がブラック ホールに突入するとき、情報も一緒に入らなければなりません。しかし、量子力学では、ブラック ホールは蒸発し、最終的には完全に消滅するとも述べています。情報はどこに行きますか?
物理学者たちはまだ情報のパラドックスについて活発に議論していますが、その解決によって最終的に局所性と呼ばれる長年の仮定、つまり粒子は空間と時間の隣接位置からのみ相互作用するという概念を放棄せざるを得なくなるというコンセンサスが高まっています。ブラック ホールの内部と外部の粒子が何らかの形で情報を交換できれば、蒸発するブラック ホールからの情報を救うことができます。 「局所性は、今日の物理学の基本的な記述の基礎です」とギディングスは言いました。
粒子物理学から局所性を取り除くには、ベルンや他の物理学者が散乱振幅を計算する方法を完全に再構築する必要があるかもしれません。なぜなら、ファインマン図は粒子が時空の隣接点から相互作用するという仮定に基づいて描かれているからです。この問題に動機付けられたのは、ニュージャージー州プリンストン高等研究所の物理学教授である Nima Arkani-Hamed が率いるグループが最近、散乱振幅を計算するはるかに簡単な方法を発見したことです。 .新しいアプローチでは、グルオン散乱振幅は、相互作用に関与するグルオンの数と特性によって形状が決定される幾何学的オブジェクトである増幅面体の体積を測定することによって計算できます。局所性はまったく計算に入らない。衝突が空間と時間で発生するという印象は、計算結果の単なる特徴です.
「増幅面体は適切な感触を持っています」とギディングズは言いました。 「振幅を記述するためのこの非常にきれいな構造を発掘しているこれらの人たちは、ブラック ホールの体制に引き継がれる、重力を調べるための何らかの深遠な新しい方法を発掘している可能性があります。」
ベルンと彼の同僚は、超重力計算で振幅面体を使用していませんが、「彼らが持っているアイデアをインポートする方法、およびその逆を確実に考えています」と彼は言いました。アンプリヘドロンはグルオン間の相互作用に対応するため、グラビトンがグルオンの 2 つのコピーのように振る舞うという事実は、両方の素粒子を組み込んだジオメトリへの道を示している可能性があります。
アルカニ＝ハメド氏は、「もし重力に倍面体のような物体があれば、この物体が時空の外にあり、あらゆる散乱事象に対する答えを与えてくれるという考えになるだろう」と語った。場合によっては、空間と時間が存在するという印象を与える、局所的な答えになることもあります。ブラック ホールを構成する未知の量子系との相互作用については、答えは空間と時間に依存しません。
「本当の問題は、それがどのように機能するかを理解することです」とギディングスは言いました。 「多くの状況で非常に局所的に振る舞うが、ブラックホールの存在下では局所性から明らかに逸脱する物理学をどのように持つことができるでしょうか?地域性がどこから来て、なぜそれが正確ではないのかについて、私たちはどのように考えますか?」
物理学者たちは、量子重力研究のさまざまなスレッドがどのように組み合わされるかについて活発に議論しています。グラビトン、グルーオン、およびその他の粒子が協調して作用し、おそらく壮大で非局所的な幾何学の構成要素として機能しているという漠然としたイメージが浮かび上がってきている可能性がありますが、彼らのルーズなアイデアを数学的に具体化するには多大な努力が必要になると警告しています。そしてそれらを現実の世界に適応させます。 Jensen が言うように、「そこにはストーリーがあり、次に計算があります。」
ベルンは、彼と彼の共同研究者が最新の超重力計算を「非常に熱心に進めている」と報告しています。今後数か月以内に、4.8 次元の重力子散乱について有限の答えが得られれば、N =8 超重力はこれまで以上に実行可能で計算可能な量子重力理論のように見え、素粒子物理学者が理論を微調整して、私たちが住んでいる対称性の低い世界を説明しようとする動機になります。この理論をひねり、その有限性を維持する方法を見つけてください」とディクソンは言いました。
一方、N =圧力下で 8 つの超重力亀裂が発生した場合、アインシュタインの重力から欠落しているように、重要な要素が理論から欠落しているに違いありません。多くの素粒子物理学者は、これらの欠落している要素はひも理論の一部であると考えています。これは、超重力を包含し、グラビトンと他のすべての粒子が実際には 1 次元の線、つまり「ひも」であると主張するさらに精巧な自然理論です。弦の振動の影響を取り入れることで、計算を修復します。しかし、ひも理論は散乱振幅の一意のセットを予測しません (代わりに、可能性のある解の広大なランドスケープを持っています)。そのため、重力子散乱の計算可能で予測可能な理論を探すことは障壁にぶつかります。
彼の過去の成功と増え続けるワインコレクションを考えると、ベルンは超重力が持ちこたえるだろうと楽観的です.その場合、彼は王室の結婚式のワインを手に入れますが、「ケリーと私は両方とも祝うつもりです」と彼は言いました.
