1970 年代初頭、David J. Gross は原子核の隠された構造を明らかにしました。彼は 1980 年代に弦理論の再発明に貢献しました。 2004 年には、ノーベル物理学賞を受賞しました。そして今日、彼はプランク スケール (陽子の数十億分の 1) で自然の基本的な力を説明しようと奮闘しています。
Gross、H. David Politzer、および Frank Wilczek は、原子核の構成要素である陽子と中性子を結合する強い力として口語的に知られている漸近的自由を発見したことでノーベル賞を受賞しました。 40 年前、彼らの直観に反する計算は、61 の既知の素粒子を記述する物理学の標準モデルの重要なギャップを埋めました。この理論的研究は、瀕死に近い場の量子論を復活させ、強い相互作用の理論である QCD (量子色力学) を生み出しました。
最近、グロスは、1997 年から昨年退任するまで米国立科学財団の資金提供を受けたシンクタンクであるカブリ理論物理学研究所で若い物理学者に挑戦することを楽しんでいます。彼は、若い科学者が彼の成果を上回り、現在素粒子物理学を悩ませている過小決定の行き詰まりを打破することを熱望しています。それにより、競合する理論が同じ物理的結果を予測し、したがって、宇宙の存続期間内に実験的検証の影響を受けない可能性があります.
グロスは、理論物理学を難解な憶測に満ちたものとして特徴付けており、実用的な堅牢性と理論的混乱の奇妙な重ね合わせです。彼は、無限の世界の「マルチバース」と「ランドスケープ」の一般化に問題を抱えています。これらは、物理的な現実の象徴として保持されています。新しいデータや革新的なアイデアが現状を打破するまで、科学は行き詰まることがある、と彼は言います。しかし、彼は楽観的です。クォークやグルーオンなど、かつて直接観測できなかったオブジェクトが存在することを証明できることを経験が彼に教えてくれます。ひもやブレーン、物理学の未来を予見するホログラフィック境界のアイデアについても、いつかはおそらく同じことが言えるでしょう。
還元主義は死んでいない、と彼は主張する.
量子 KITP で Gross に会いました。彼はオフィスのドアを開けたままにし、エスプレッソ マシンを熱くしています。インタビューの編集および要約版が続きます。
クアンタ マガジン :なぜ物理学なのですか、デビッド?
デビッド・グロス:13 歳のとき、アルバート・アインシュタインとレオポルド・インフェルドによる「物理学の進化」という素晴らしい本を読みました。宇宙に関する基本的な問題に取り組む可能性に、私は非常に興奮しました.
1960 年代半ばにさかのぼります。私はカリフォルニア大学バークレー校の大学院生でした。そこでは、当時の超弦理論である S 行列理論の中心でした。大学の Rad Lab では、実験者が装置を使って新しい原子粒子を絶えず発見していました。しかし、理論家たちは発見のペースについていくのに苦労していました。原子核の構造については特に無知でした。
問題の一部は、場の量子論が特殊相対性理論と量子力学を見事に調和させた一方で、素粒子物理学の重荷を持ち上げるのに失敗していたことでした。粒子が複合体なのか元素単位なのかはわかりませんでした.
研究室では、原子の中心で陽子と中性子の塊を結び付ける強い力のダイナミクスを解き明かす鍵であると思われる、クォークと呼ばれる数学的オブジェクトを見ることも、物理的に説明することもできませんでした。そして場の量子論は、どうしてそうなるのかを計算できていませんでした.
多くの人が「場の量子論はうまくいかない。それは非物理的です。捨てろ！」
「非物理的」とはどういう意味ですか?
科学者は、物理的に観測できないことについて話すことはできません。場の量子論が以前の実験的観察に基づいて粒子の挙動を予測できない場合、つまり運動中の量子物体の物理的測定によって、場の理論はツールとして役に立たない、と言われた.
フィールドは、占有する空間内のすべての点で値を持つ動的オブジェクトです。位置と内部構造を持つオブジェクトと考えることができます。たとえば、磁石の周りに鉄粉をまき散らしたときに見える力線は、物理空間の場の形を表しています。
量子力学理論が相対性理論の制約と一致するように、荷電粒子間の相互作用を量子力学場、空間場を流れるように描きます。フィールドの波紋は、電磁波または放射線または光として扱うことができます。そして、これらのさざ波は、宇宙を通して自然の力を伝達する粒子として説明することもできます.
私がバークレーにいたとき、場の量子論の枠組みは電磁気学のダイナミクスを計算することができました。弱い核力である放射線の動きを大まかに説明できます。しかし、それは強い相互作用、結合力でレンガの壁にぶつかりました。
理論家は素粒子のより効果的な理論を探していましたか?
私のアドバイザーであるジェフリー・チュウはさらに踏み込んで、ないことはないと宣言しました。 素粒子ですが、確率法則に従う偶然に接続された相互作用のみです。したがって、S-matrix フレームワークでは、粒子は粒子を作成し、粒子の種類は他のどの種類よりも基本的ではありませんでした。チューは、この非理論を「核民主主義」または「ブートストラップ」と呼んだ。
一部の人々にとって、ブートストラップは革新的なアプローチ、つまり物理学の新しい哲学でした。陽子から始めて他の粒子を生成することも、その逆も可能です。そして、その考えを具体化するパターンが、カリフォルニアの線形加速器での陽子衝突によって生成されたデータに現れ始めました.
革命はバークレーに限定されていましたか?
1920 年代に量子力学が誕生して以来、理論物理学は非常に急進的な伝統を育んできました。相対性理論と量子力学が物理学に革命をもたらしたので、私たちは皆、次の転覆を探していました。そして、既存の理論を簡単に犠牲にすることを厭いませんでした.
革命は若者のゲームでしたか?
全くない。年配の物理学者は最も急進的でした！量子力学の創始者であるヴェルナー・ハイゼンベルグ、ポール・ディラック、ニールス・ボーアは、核力を説明するには物理学の基礎に別の革命が必要であると確信していました。あらゆる種類のクレイジーなアイデアがありました。宇宙は核スケールで崩壊しなければなりませんでした。量子力学は本当に非線形でした.
驚くべきことに、標準モデル (粒子と力がどのように相互作用するかの理論) の構築は、保守派の成功でした。基礎レベルでの革命は必要ありませんでした。実験に次ぐ実験が行われる種類の通常の物理学が、標準モデルを生み出しました。
漸近的自由の存在を知ったきっかけは何ですか?
絶望。私は場の量子論を反証しようと試みたのですが、逆のことが起こりました!ショックでした。
物語は、実験者が一時的な「クォーク」の直接的な証拠を見つけることを望んで、陽子を叩いていたというものです。陽子はクォークの袋ですが、個々のクォークというものはありません。陽子の衝突から生じるエネルギーと運動量を測定することによって、それらを間接的に垣間見るだけです。
場の量子論を使用して、同僚と私は、陽子衝突の残骸に特定のパターンが出現することを予測することに成功しました。驚いたことに、計算により、目に見えないクォークは純粋に数学的な抽象化ではなく、互いに近づくと陽子内を自由に動き回ることができるオブジェクト、粒子であることが示されました。そして驚くべきことに、クォーク間の距離が大きくなるにつれて、それらを結び付ける力も大きくなることがわかりました。輪ゴムを伸ばすようなものです。
予測は不確実性の範囲内でしたか?
途方もない不確実性ですが、それにもかかわらず、それらは真実でした。それ以来、実験を通じて繰り返し検証されてきました。新しい発見は、信憑性の境界線上で直感的になる傾向があります。後で明らかになります。
新しい理論が受け入れられるまでにどのくらいかかりましたか?
一部の人にとっては、バムでした！速い。それが計算できる強い力の唯一の説明だったからです。実際には見えない物体に基づいて理論を立てることは、哲学的に好ましくないと考える人もいます。すぐにそれを信じたスティーブ・ワインバーグやレニー・サスキンドのような若い物理学者と、非常に技術的な場の量子論をあまり知らなかった年配の科学者のグループです。彼らが間接的な観察に基づく理論を完全に受け入れるにはしばらく時間がかかりました.
彼らは革命を待っていたのですか?
量子力学は、私たちの最新の革命のままです。とはいえ、一部の科学者は、還元不可能な最終理論を待っています。還元主義は、非常に成功した調査方法であることが証明されています。標準モデルは、非常に正確で還元主義的な理論です。しかし、過激ではありませんでした。
2011 年に第 25 回ソルベイ会議の議長を務めたとき、開会の辞で「物理学の最前線には混乱がある」と述べました。なぜですか?
科学の「フロンティア」が定義される 混乱状態として。それにもかかわらず、私たちには大きな問題があります。物理学は私たちの周りの世界を信じられないほどの精度と広さで説明しています。しかし、それ以上の説明は、私たちがすでに知っていることによって大きく制限されています.たとえば、量子重力の理論は、現在の理論的枠組みに対する深刻な課題を表しています。
ひも理論は、電磁気、放射線 (弱い)、核力 (強い)、重力という 4 つの基本的な力すべてを統合しようとしています。
まず第一に、弦理論は理論ではありません。標準モデルは理論です。弦理論は モデル、フレームワーク、場の量子論の一部。これは、一貫した量子状態を構築するための一連のルールとコツです。
ソルベイでは、ひも理論が現実のユニークな動的記述を生み出すという希望は「蜃気楼」のようだとおっしゃいました。
ひも理論は、私たちがかつて望んでいたほど革新的ではありません。その原理は新しいものではなく、量子力学の原理です。弦理論は場の量子論の一部です。
現代物理学の理論的構造は、私たちが考えていたよりもはるかに大きく、豊かです。これは、標準モデルにまだ統合されていない力である重力を組み込む必要がある動的時空の理論であるためです。
場の量子論には解を要求する苛立たしい理論的問題がありますが、弦理論の 10 個の解の「風景」は私には意味がありません。私たちの特定の宇宙が特定の物理的パラメータを持っている理由を説明することを目的とした多元宇宙の概念や人間原理もそうではありません。これらのモデルは、概念的に行き詰まっていることを前提としています。
物理学に危機はありますか?
私は現在の状況を危機とは見なしていませんが、発見が最終的に超越するような許容可能な科学的混乱と見なしています.
時空が創発的な現象であるとはどういう意味ですか?
[笑い] それは非常に洗練された概念であり、誕生から2歳までに理解する必要があります.私たちは実際には時空を経験していません。それはモデルです。じゅうたんの上にある食べ物をオーバーする方法が説明されています そこ :クロール。
アインシュタインによって修正された私たちの時空のモデルは非常に有用ですが、おそらくそれは基本的なものではありません.派生的な概念かもしれません。それは、ひも理論と場の量子論によって描かれた数学的図を知らせる、より基本的な物理プロセスから生じているようです。
ひも理論/場の量子論を反証することは可能ですか?それとも純粋に哲学的な質問ですか?
自分の理論が正しいか間違っているか、または反証可能かどうかをどのように判断するかという問題には、哲学的な側面があります。しかし、実証データがなければ、理論の妥当性を本当に判断できるでしょうか?多分。哲学はそれ自体でそのような存在論的難題を解決できるのでしょうか?疑わしい。したがって、物理学の作成に貢献する哲学者は物理学者です!
さて、前世紀には、エルンスト・マッハ、ボーア、アインシュタインなどの偉大な物理学者も、知識の理論を発展させることに関心のある哲学者でした.アインシュタインは、目に見えないエンティティの間接的な証拠が存在する可能性があるのに、ハイゼンベルグが観測可能なエンティティのみに焦点を当てていることを批判したことで有名です。ひも理論と同じかもしれません。
革命は間近に迫っていますか?
このゲームに参加している私たちは、既存の理論的枠組みの中で論理的に一貫性を保つように注意すれば、かなり遠くまで行くことができると信じています。その方法がどこまで成功するかは未解決の問題です.
一般大衆は科学における不確実性の役割を理解していますか?
一般の人々は一般的に、不確実性を荒唐無稽な推測と同一視しています。一方、科学者にとって、標準モデルのような理論は信じられないほど正確ですそして 確率的。科学では、決して完全に確実ではないことが不可欠です。そしてその教訓は、すべての科学者と歴史の読者に叩き込まれています。科学者は、確率論と統計を使用して不確実性を測定します。また、予測を行う際にはコンフォートゾーン、エラーバーがあります。不確実性とともに生きることは科学の本質的な部分であり、誤解されやすい.
人間の意識から独立した客観的な現実はありますか?
そこには現実の世界があり、私たちはその影を見ていると信じています。私たちのモデル、私たちの理論です。私は数学が存在すると信じています .それは物理的な意味で完全に現実的かもしれません。理想的な「もの」も含まれているかもしれません。しかし、はっきりさせておきたいのですが、人間の心は物理的な物体です。それは、実際の分子とクォークによってまとめられています。
