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リチャード・ファインマンは疲れた様子で私のオフィスにやってきた. 1982年頃、サンタバーバラでの長く疲れ果てた一日の終わりでした。イベントには、パフォーマンスでもあるセミナー、熱心なポスドクによるランチタイムのグリル、上級研究者との活発な議論が含まれていました。有名な物理学者の人生は常に激しいものです。しかし、私たちの訪問者はまだ物理について話したいと思っていました。夕食までに数時間、満腹になりました。
私はファインマンに、フラクショナル スピンやエニオンなどの投機的で新しいアイデアがエキサイティングだと思うことを説明しました。ファインマンは感銘を受けず、次のように述べました。 (エニオンは実在しますが、それは別の投稿のトピックです。)
その後のぎこちない沈黙を破ろうとして、私はファインマンに物理学で最も不穏な質問をしました.「私がよく考えていることが他にもあります:なぜ空のスペースは何も重くないのですか?」
ファインマンは、通常は彼らが来るのと同じくらい素早く活発でしたが、沈黙しました.彼が物欲しそうに見えるのを見たのはその時だけでした。最後に彼は夢見がちに言いました。美しかった。"そして、興奮して、彼は説明を始め、叫び声に近い声でクレッシェンドしました。 ！」
その超現実的なモノローグを理解するには、いくつかの裏話を知る必要があります。これには、真空と空虚の区別が含まれます。
現代の使用法では、真空は、実際的または原則的に、可能な限りすべてを削除したときに得られるものです.私たちが知っているさまざまな種類の粒子や放射線がすべて含まれていない場合、空間の領域は「真空を実現する」と言います（この目的のために、詳細ではありませんが、一般的な方法で知っている暗黒物質を含みます）。 .あるいは、真空はエネルギーが最小の状態です。
銀河間空間は真空によく似ています。
一方、ボイドは理論的な理想化です。それは無を意味します。独立した特性のない空間であり、その唯一の役割は、すべてが同じ場所で起こらないようにすることだと言えます。 Void は粒子のアドレスを与えるだけです。
アリストテレスが「自然は真空を嫌う」と主張したことは有名ですが、より正確な翻訳は「自然は空虚を嫌う」であると確信しています。アイザック・ニュートンは次のように書いたとき、同意しているように見えました:
しかし、ニュートンの傑作であるプリンキピア 、プレイヤーは互いに力を及ぼす体です。舞台である空間は空の容器です。それ自体の生命はありません。ニュートン物理学では、真空は空虚です。
このニュートンの枠組みは、重力に関するニュートンの方程式が次々と勝利を収め、(最初は) 電気力と磁力の類似の方程式も同様に成功したように見えたため、ほぼ 2 世紀にわたって見事に機能しました。しかし、19 世紀になると、人々が電気と磁気の現象をより詳細に調査するようになり、ニュートン式の方程式では不十分であることが判明しました。ジェームズ・クラーク・マクスウェルの方程式では、その研究の成果である電磁界 — 分離された物体ではありません — が現実の主要な対象です。
量子論はマクスウェルの革命を増幅させました。量子論によれば、粒子は単に泡の泡であり、基礎となる場によって蹴り上げられます。たとえば、光子は電磁界の乱れです。
若い科学者だったファインマンは、その見方が人工的すぎることに気づきました。彼は、ニュートンのアプローチを復活させ、私たちが実際に知覚する粒子を直接操作したいと考えました。そうすることで、彼は隠された仮定に挑戦し、自然のより簡単な説明に到達し、量子場への切り替えが引き起こした大きな問題を回避することを望んでいました.
II.
量子論では、フィールドには多くの自発的な活動があります。それらは強度と方向が変動します。また、真空中の電界の平均値はゼロですが、その二乗の平均値はゼロではありません。電界のエネルギー密度は電界の 2 乗に比例するため、これは重要です。実際、エネルギー密度の値は無限大です。
量子場の自発的な活動は、量子ゆらぎ、仮想粒子、またはゼロ点運動など、いくつかの異なる名前で呼ばれます。これらの表現の意味合いには微妙な違いがありますが、それらはすべて同じ現象を指しています。何と呼んでも、活動にはエネルギーが伴います。多くのエネルギー — 実際、無限の量です。
ほとんどの場合、その不穏な無限を考慮から外すことができます。エネルギーの変化のみが観測されます。また、ゼロ点運動は量子場の固有の特性であるため、変化 エネルギーでは、外部の出来事に応じて、一般的に有限です。それらを計算できます。それらは、実験的に観察された原子スペクトル線のラムシフトや中性導電板間のカシミール力など、いくつかの非常に興味深い効果を引き起こします。問題になるどころか、これらの効果は場の量子論の勝利です。
例外は重力です。重力は、そのエネルギーがどのような形をとっても、あらゆる種類のエネルギーに反応します。そのため、真空中でも存在する量子場の活動に関連する無限のエネルギー密度は、重力への影響を考慮すると大きな問題になります。
原則として、これらの量子場は真空を重くするはずです。しかし、実験によると、真空の引力は非常に小さいことがわかります。最近まで — これについては以下を参照してください — 私たちはゼロだと思っていました.
おそらく、フィールドから粒子へのファインマンの概念の切り替えは、この問題を回避するでしょう.
III.
ファインマンはゼロから始め、棒線で粒子間の影響のつながりを示す絵を描きました。最初に公開されたファインマン図は、Physical Review に掲載されました 1949年:
ファインマン ダイアグラムを使用して、ある電子が別の電子にどのように影響するかを理解するには、電子が空間を移動し、時間とともに進化するときに、ここでは「仮想量子」とラベル付けされた光子を交換することを想像する必要があります。これは最も単純な可能性です。 2 つ以上の光子を交換することも可能であり、ファインマンはそのために同様の図を作成しました。これらの図は、古典的なクーロン力の法則を変更して、答えに別の部分を提供します。別の波線を発生させ、それを未来に自由に拡張させることで、電子が光子を放射する方法を表現します。したがって、非常に単純な材料からティンカートイのように組み立てられた、複雑な物理的プロセスを段階的に説明できます。
ファインマン ダイアグラムは、空間と時間で発生するプロセスの図のように見えますが、ある意味ではそうですが、文字通りに解釈されるべきではありません。彼らが示しているのは、厳密な幾何学的軌道ではなく、量子の不確実性を反映した、より柔軟な「トポロジー」構造です。言い換えると、接続が正しく行われている限り、線と波線の形状と構成についてかなりずさんなことができます。
ファインマンは、各図に簡単な数式を追加できることを発見しました。数式は、図が表すプロセスの可能性を表します。彼は、単純なケースでは、人々が泡と泡を相互作用させたときにフィールドを使用してはるかに苦労して得たのと同じ答えを得ることを発見しました.
それが、ファインマンが「そこには何もない」と言ったときに意味したことです。フィールドを削除することで、不条理につながっていた重力への影響を取り除きました。彼は、従来の方法よりも単純であるだけでなく、より健全な、基本的な相互作用への新しいアプローチを見つけたと考えました。これは、基本的なプロセスについて考える美しい新しい方法でした.
IV.
悲しいことに、初登場は欺瞞的であることが判明しました。ファインマンは、さらに検討を進めるうちに、彼のアプローチが解決すべき問題と同様の問題を抱えていることに気付きました。下の写真でこれを見ることができます。イベントを開始する (またはイベントから流出する) 粒子のない、完全に自己完結型のファインマン図を描くことができます。これらのいわゆる切断されたグラフ、または真空の泡は、ゼロ点運動のファインマン ダイアグラム アナログです。仮想量子がグラビトンにどのように影響するかを示す図を描くことで、「空の」空間の病的な肥満を再発見できます。
より一般的に言えば、ファインマンは物事をさらに進めていくうちに、彼のダイアグラム法がフィールド アプローチの真の代替手段ではなく、むしろそれに近似するものであることに徐々に気づき、そして証明しました。ファインマンにとって、それは大きな失望でした。
しかし、ファインマン図は、しばしば現実に対する適切な近似を提供するため、物理学の貴重な資産であり続けています。さらに、それらは簡単に (そして楽しく) 操作できます。それらは、私たちが実際には見ることができない世界に影響を与える視覚的想像力を発揮するのに役立ちます.
最終的に 2004 年にノーベル賞を受賞した計算は、ヒッグス粒子の生成と観測への道筋を確立した私の計算と同様に、ファインマン図なしでは文字通り考えられなかっただろう.
その日サンタバーバラで、それらの例を引用しながら、私はファインマンに、私の仕事において彼の図がどれほど重要であったかを話しました。彼は喜んでいるように見えましたが、自分の図の重要性にはほとんど驚かなかったでしょう。 「ええ、それは良いことです。人々がそれらを使用しているのを見て、どこでも見ています」と彼はウィンクして答えました.
V.
プロセスのファインマン ダイアグラム表現は、いくつかの比較的単純なダイアグラムでほとんどの答えが得られる場合に最も役立ちます。これは、物理学者が「弱結合」と呼ぶ体制であり、複雑な線が追加されることは比較的まれです。これは、量子電気力学 (QED) における光子のほとんどの場合に当てはまり、ファインマンが最初に念頭に置いていたアプリケーションです。 QED は原子物理学、化学、材料科学のほとんどをカバーしているため、その本質をいくつかの波線で捉えることは驚くべき成果です。
しかし、強力な核戦力へのアプローチとして、この戦略は失敗します。ここで支配的な理論は量子色力学 (QCD) です。光子の QCD 類似体はカラー グルオンと呼ばれる粒子であり、それらの結合は弱くありません。通常、QCD で計算を行う場合、多くのグルオン線で飾られた多数の複雑なファインマン図が答えに重要な貢献をします。それらをすべて合計するのは現実的ではありません (おそらく不可能です)。
一方、最新のコンピューターでは、真に基本的な場の方程式に戻って、クォーク場とグルオン場のゆらぎを直接計算できます。このアプローチにより、別の種類の美しい画像が得られます:
近年、スーパーコンピューターのバンクで実行されたこの直接的なアプローチにより、陽子と中性子の質量の計算が成功しました。今後数年間で、核物理学の定量的理解が幅広い分野で革命を起こすでしょう。
VI.
ファインマンが解いたと思っていたパズルは、多くの点で進化してきましたが、今でも私たちと共にあります。
最大の変化は、人々が真空の密度をより正確に測定し、それがないことを発見したことです。 消える。いわゆる「ダークエネルギー」です。 (暗黒エネルギーは基本的に、数値要因までは、アインシュタインが「宇宙定数」と呼んだものと同じです。) 宇宙全体でそれを平均すると、暗黒エネルギーが宇宙の総質量の約 70% を占めていることがわかります。
それは印象的ですが、物理学者にとって残っている大きな謎は、その密度が小さい理由です。 そのまま。 1 つには、変動するフィールドの影響により、無限になるはずだったことを思い出してください。可能性のある進歩の 1 つは、その無限から逃れる方法を知ったことです。あるクラスのフィールド (技術的にはボソンと呼ばれる粒子に関連するフィールド) では、エネルギー密度は正の無限大であり、別のクラスのフィールド (フェルミオンと呼ばれる粒子に関連するフィールド) では、エネルギー密度は負の無限大であることがわかります。そのため、宇宙にボソンとフェルミ粒子が巧みにバランスよく混在している場合、無限は相殺される可能性があります。他にもいくつかの魅力的な特徴を持つ超対称性理論は、その相殺を実現します。
私たちが学んだもう1つのことは、変動する場に加えて、真空にはしばしば「凝縮物」と呼ばれる変動しない場が含まれているということです。そのような凝縮体の 1 つは、いわゆるシグマ凝縮体です。もう一つはヒッグス凝縮体です。この 2 つはしっかりと確立されています。他にもまだ発見されていないものがたくさんあるかもしれません。おなじみの類似物を考えたい場合は、地球の磁場または重力場を想像してみてください。宇宙の比率にまで上昇した (そして地球から解放された)。これらの凝縮物も何か重さがあるはずです。実際、それらの密度を単純に見積もると、観測されたダーク エネルギーよりもはるかに大きな値が得られます。
暗黒エネルギーの推定値は有限ですが（おそらく）、理論的には不十分であり、一見すると大きすぎます。おそらく、私たちが知らない追加のキャンセルがあるでしょう。現在、最も一般的な考えは、暗黒エネルギーの小ささは、多元宇宙の私たちの特定のコーナーで偶然に発生する一種のまれな事故であるというものです.アプリオリにはありそうにありませんが、それは私たちの存在にとって必要であり、したがって、私たちが観察する運命にあるものです.
残念ながら、その話は、ファインマンの「そこには何もない!」ほどエレガントではありません。より良いものを見つけられることを願っています。
ファインマン ダイアグラムと量子電気力学について詳しく知りたい方は、著者がファインマンの本をお勧めします QED:光と物質の奇妙な理論.
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