現代の量子論によれば、エネルギー場は宇宙に浸透し、これらの場のエネルギーの突風は、点状の場合は「粒子」と呼ばれ、拡散している場合は「波」と呼ばれ、物質と力の構成要素として機能します。しかし、新しい発見は、この波動粒子図が自然の構成要素の表面的な見方しか提供していないことを示唆しています.
空間に広がる各エネルギー場が池の表面と考えられ、波と粒子がその表面の乱流であるとすれば、新しい証拠は、活気に満ちた隠された世界がその下にあるという議論を強化します.
何十年もの間、ほとんどの物理現象について正確な計算を行うには、素粒子の世界の表面レベルの説明で十分でした。しかし最近、既知の量子力学的方法では説明できない奇妙な種類の物質が、物理学者を地下深くに引き込みました.
ハーバード大学の物理学教授で、これらの奇妙な形の物質を研究している Subir Sachdev は、次のように述べています。今、探求すべきまったく新しい次元があり、「粒子はその表面で終わっていると考えることができます」と彼は言いました。
すべての奇妙な形の物質の中で、銅酸化物 (高温超伝導と呼ばれる特性を示す銅含有金属) は最も奇妙なものかもしれません。 6 月 24 日に Journal of High Energy Physics にオンラインで公開された新しい研究では、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者が、銅酸化物の複雑な「表面レベル」の挙動に関連していると主張する、より深い現象を調査しました。その基礎となる環境に計算を集中することにより、研究者は以前は実験からしか知られていない銅塩の導電率の式を導き出しました.
「驚くべきことは、この理論から始めて、これらの奇妙な超伝導体の伝導性を得ることです」と、この研究には関与していない Sachdev 氏は述べています。
オランダのライデン大学の理論物理学者である Jan Zaanen は、この結果は、自然の構成要素に対するこの新しい見方が現実のものであり、「驚くほど文字通り」であるという証拠を裏付けるものです。
さらに、この結果は、ひも理論の異常で間接的な種類の証拠と見なすことができます — 量子力学と重力を織り合わせ、証明されていないのと同じくらい数学的に洗練され、深く説明できる 40 年前のフレームワークです.
暗黒物質の性質、宇宙の質量の 84% を占めると考えられている謎の物質、および自然界のすべてを数学的に説明する「すべての理論」の探索についての疑問が迫っていることから、研究者は、この発見が広範な意味を持つ可能性があると述べています。 .
「今後数年で基礎物理学が大きく進歩する現実的な可能性があります」とザーネンは言いました。 「とても速く動いています。」
水面下
波と粒子が池の表面の乱流のようなものである場合、その乱流と池の内部でのイベントとの関係は、1997 年に発見された数学的原理によって最初に記述されました。当時ハーバード大学に在籍し、現在はニュージャージー州プリンストンの高等研究所に所属するアメリカの物理学者は、空間の 3 次元領域で発生するイベントが、その領域の 2 次元境界で発生する非常に異なるイベントに数学的に対応することを示しました。 (4-D のイベントは 3-D のイベントにも対応し、5-D から 4-D などにも対応します。)
比喩的な池の 3 次元内部と 2 次元表面を考えてみましょう。対応が機能するためには、内部がひも理論によって数学的に記述されている必要があります。ひも理論では、電子、光子、重力子、およびその他の自然の構成要素は、目に見えないほど小さい 1 次元の線、または「ひも」です。質量やその他の巨視的な特性は弦の振動に対応し、さまざまな種類の物質と力の間の相互作用は、弦の分割と接続の方法から生じます。これらの弦は池の中に住んでいます。
ここで、池の 2 次元表面が量子力学によって記述されていると想像してください。粒子は表面の飛沫であり、波はそれらの飛沫からのさざなみのカスケードです。この架空の池の表面には、重力はありません。
ホログラフィック双対性として知られるマルダセナの発見は、重力を伴い、ひも理論によって記述される内部領域のイベントが、無重力で量子粒子理論によって記述される表面上のイベントに数学的に変換可能であることを示しました.
「この関係を理解するために重要なのは、重力理論が簡単に分析できる場合であり、境界上の粒子」、または池の例えでは、表面が「互いに非常に強く相互作用している」とマルダセナ氏は述べています。その逆もまた真です:粒子が表面上で穏やかな場合、それらはほとんどの物質の形態と同様に、池の内部の状況は非常に複雑になります.
その対比が二元性を有用なものにしています。
銅酸化物を含む奇妙なクラスの材料は、最初のカテゴリに属します。実験によると、これらの物質の粒子は互いに非常に強く相互作用し、個性を失うことが示唆されています。物理学者は、粒子は「強く相関している」と言います。それぞれに対応する波状の波紋が重なり合い、一種のスウォーム効果が発生していると考えられています。スタンフォード大学の物理学教授である Sean Hartnoll は、強相関物質は、既知の量子力学的方法では説明が困難または場合によっては不可能な、多様で予期しない方法で動作する可能性があると述べています。 「単一の粒子の説明から始めるのとは異なる見方をする必要があります」と彼は言いました。 「個々の水分子の観点から海を説明しようとはしません。」
強い相関を持つ物質が池の 2 次元表面で「生きている」と考えられる場合、ホログラフィックな二重性は、その表面の極端な乱流が内部の静水と数学的に同等であることを示唆しています。物理学者は、以下の類似の、しかしはるかに単純な状況を研究することによって、表面レベルの振る舞いを理解することができます。 「その静かな世界で物事を計算できます」とザーネンは言いました。
ホログラフィック双対性の数学的な用語では、2 次元の強い相関のある特定の物質が 3 次元のブラック ホールに対応します。ブラック ホールは、数学的に単純な、避けられない引力を持つ無限に密集した物体です。マサチューセッツ工科大学の物理学准教授である Hong Liu は、次のように述べています。 「強く相関するシステムでは、電子をシステムに入れると、すぐに「消えて」しまい、追跡できなくなります。」物体がブラック ホールに落ちるようなものです。
超伝導モデル
過去 10 年間で、物質の強相関形態に相当するブラック ホールの研究は、強く相互作用する流体の粘性に関する新しい方程式や、クォークとグルオンの間の相互作用のより良い把握など、画期的な結果をもたらしました。原子核。
現在、UC-Santa Barbara のひも理論家である Gary Horowitz と Horowitz のグループのポスドク研究者である Jorge Santos は、ホログラフィック双対性を銅酸化物に適用しました。彼らは、3-D で対応する可能性があるものの関連する特性を研究することにより、ほぼ 2-D である金属の導電率の式を導出しました:帯電した、独特の形状のブラック ホール。
仕事には数的妙技が必要でした。銅酸塩では、強く相関した電子の群れが固定された原子格子の中を移動します。したがって、ホログラフィックな二重性を備えた金属をモデル化するには、対応するブラック ホールの構造に格子に相当するものを加工する必要があり、それに波形の外面または地平線を与える必要がありました。
「ブラック ホールでボールをプレーすることになると、ゲイリー [ホロウィッツ] が必要です」とザーネンは言いました。
銅酸塩の導電率の式を決定するために、ホロウィッツとサントスは、光がブラック ホールの複雑な地平線とどのように相互作用するかを研究する必要がありました。方程式は複雑すぎて正確に解くことができなかったため、コンピューターを使用しておおよその解を見つけました。ケンブリッジ大学の物理学教授 David Tong が共同執筆し、2012 年 7 月に Journal of High Energy Physics に掲載された、このアプローチを詳述した最初の論文で、彼らは、交流電流に応答した高温での銅酸塩の伝導率と一致する式を導出しました。 .新しい研究では、彼らは銅酸化物が超伝導になる温度範囲、または抵抗なしで電気を伝導する温度範囲まで計算を拡張し、再び実際の銅酸化物の実験測定値とほぼ一致することを発見しました.
「このような単純な重力モデルが実際の物質のあらゆる特徴を再現できることに驚いています」とホロウィッツ氏は述べています。 「ですから、これは私たちがもっと真剣に考えるように促しています。」
Horowitz と Santos のモデルの精度は、非常に高い周波数の交流電流など、いくつかの重要なケースで破綻しますが、Sachdev 氏は、波形のブラック ホール モデルがいかに単純であるかを考えると、「これ以上うまく機能することはなかったでしょう」と述べています。銅酸化物の微視的な詳細をブラック ホールの構造に組み込むことで、おそらく一致が深まるだろう、と彼は述べた。
ホログラフィック双対性を最近使用して、強相関物質の金属絶縁体遷移をモデル化した Hartnoll は、Horowitz と Santos の方程式を正確に解くことによって、結果に基づいて構築したいと考えています。 「彼らにはインプットとアウトプットがあります。私たちはそれを解凍し、その間の重要なステップを理解したいと思っています」と彼は言いました.そうすることで、導電率式がブラック ホール環境のどこで発生したかが明らかになり、銅酸化物内部で作用する対応する力についてより多くの洞察が得られます。
新しい二重性
銅酸化物の物理を理解することは、重要な実用的応用をもたらす可能性があります。ほとんどの金属は、温度が絶対零度に近づくと超伝導を開始します。しかし、完全には理解されていない理由から、銅酸塩ははるかに利用しやすい温度で超伝導性を示し、高出力の電気ケーブルから船の推進モーターまで、さまざまなデバイスに役立ちます。ただし、銅鉄鉱はもろくて高価であり、その特性を微調整してより良いバージョンを設計することで、磁気浮上する車両やその他のデバイスからより効率的な送電網まで、さまざまな技術の劇的な改善につながる可能性があります.
また、基礎物理学を発展させる可能性もあります。ホログラフィックな二重性が、銅酸塩やその他の強く相関する物質の挙動についてますます正確な予測をもたらす場合、これらの物質は本質的に高次元のブラック ホールであると考えることができます。
「材料のすべての特徴を再現するモデルがあれば、それはその理論と見なすことができます。これは非常に珍しい種類の理論ですが、双対性を考えると、境界で作成する理論と同等です。通常の粒子です」とホロウィッツは言いました。 「そして、それはもっと単純かもしれません。」
ホログラフィックな二重性は、量子力学の発展につながった波動と粒子の二重性を反映しています。 1900 年代初頭、以前は波であると考えられていた光は、粒子として扱われないと一部の実験で当惑するように見え、粒子であると考えられていた電子は、波として考えられなければ意味をなさないことがありました。 「波と粒子の二重性は、最初に提案されたとき、大きな驚きでした。なぜなら、これらは 2 つの一見異なる概念であり、それらが同じものであることを学んだからです」と Horowitz は言いました。ホログラフィックの二重性は「より洗練されていますが、同じ機能を備えています」と彼は言いました。 「2 つの非常に異なるように見えるオブジェクトが、完全に同等であることが判明しました。」
しかし、ホログラフィックな二重性は、私たちの自然理解にどのように影響するのでしょうか?池の類推からの一次元のひもは本当ですか?必ずしもそうとは限りません、と物理学者は言います。実際、ホロウィッツとサントスが銅酸化物のモデルとして使用したブラック ホールの特性の計算では、弦は考慮されていませんでした。しかし、今回の発見は物理学者に、「私たちが異なると思っていたこれらの理論はすべて、実際にはすべて関連している」という感覚を与えていると Maldacena は述べた。 「ひも理論が他の物理学から切り離されていないことを示しています。」
ひも理論は、現実の特定の側面に取り組むための最良の数学言語である可能性があると、この記事のためにインタビューを受けた物理学者は述べています.
「物理学は伝統的に還元主義的でした。複雑なものを取り上げて、構成要素が何であるかを調べたいのです」と Hartnoll 氏は説明します。 「重要なのは、それを行うための独自の方法がないということです。場合によっては、電子が構成要素になる可能性がありますが、他の場合では、電子の集団励起が個々の電子よりも基本的な役割を果たしています.
「私たちは、物質のこれらの奇妙な相を説明するための適切な構成要素を見つけようとしています」と彼は言いました. 「そして、それらは 1 つの高次元の文字列かもしれません。」
物理学者は、奇妙で脆い金属の粒子が数学的に弦と、少なくとも理論的にはより高い次元に存在する特異なブラック ホールに対応することの意味を解釈しているため、ホログラフィックの二重性により、「研究室の謎について別の考え方をすることができます。 」とザーネンは言いました。 「そしておそらく、それは考え方の違いだけではありません。本当の、美しい事実を見ることです。」
