ひも理論は約 30 年前に完全そのものとしてシーンに登場しました。それは、アインシュタインの滑らかにゆがんだ時空と本質的に不安定で量子化されたものとの間の悪名高い扱いにくいミスマッチを含む、基礎物理学の節のある問題を解決するエレガントなシンプルさの約束です。
マイケル・ファラデーの言葉を借りれば、素晴らしすぎて そうでもない 真実：無限に小さい粒子を小さな（しかし有限の）振動する弦のループに置き換えるだけです。振動は、クォーク、電子、グルーオン、光子、およびそれらの拡張ファミリーを鳴らし、認識可能な世界を調理するために必要なすべての成分を調和して生成します.無限に小さいものを回避することは、さまざまな大惨事を回避することを意味しました。一つには、量子の不確実性は時空を細断することはできませんでした。ついに、量子重力の実行可能な理論がここにあるように見えました.
言葉で語られる物語よりもさらに美しいのは、その背後にある数学の優雅さであり、一部の物理学者を有頂天にする力がありました.
確かに、この理論には不安な意味が含まれていました。ひもは小さすぎて実験で調べることができず、11 次元もの空間に存在していました。これらの寸法は、複雑な折り紙の形に折り畳まれ、つまり「コンパクト化」されました。寸法がどのようにコンパクト化されたかは誰にもわかりませんでした — そうする可能性は無限にあるように見えました — しかし、なじみのある力と粒子を生成するために必要なものは、確かにいくつかの構成であることが判明しました.
しばらくの間、多くの物理学者は、ひも理論が量子力学と重力を結合する独自の方法を生み出すと信じていました。 「希望がありました。ちょっと待ってください」と、いわゆるプリンストン弦楽四重奏団のオリジナル奏者であり、ノーベル賞受賞者であり、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のカブリ理論物理学研究所の常任会員であるデビッド・グロスは言いました。 「私たちは、80 年代半ばに、これは独自の理論であると考えていました。」
そして、物理学者たちは、1 つの特異な理論の夢は幻想であることに気付き始めました。ひも理論の複雑さ、可能なすべての順列は、私たちの世界を説明する単一のものに還元することを拒否しました. 「90 年代初頭のある時点以降、人々は現実世界に接続しようとすることをあきらめました」と Gross 氏は言います。 「過去 20 年間は、理論的ツールの大幅な拡張でしたが、実際にそこにあるものを理解する上での進歩はほとんどありませんでした。」
振り返ってみると、多くの人が基準を上げすぎたことに気づきました。 1970 年代に素粒子物理学の堅固で強力な「標準モデル」が完成した勢いから離れて、彼らはこの話が繰り返されることを望んでいました。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所所長のRobert Dijkgraaf氏は、次のように述べています。 「しかし今、私たちはこの大混乱に陥っています。」
多くの成熟した美しさのように、ひも理論は関係が豊富で、複雑で扱いにくく、広く影響力を持っています。その触手は、理論物理学の非常に多くの領域に深く到達しており、弦理論の専門家でさえ、ほとんど認識できなくなっています。 「物事はほとんどポストモダンになっています」と、数理物理学者であると同時に画家でもあるダイクグラーフは言いました。
ひも理論から生まれた数学は、宇宙論や物性物理学 (物質とその特性の研究) などの分野で使用されています。それは非常に遍在しているので、「すべての弦理論グループを閉鎖しても、凝縮物質の人々、宇宙論の人々、量子重力の人々はそれを行うでしょう」とダイクグラーフは言いました。
どこに境界線を引いて、「これは超弦理論だ。これは弦理論ではありません」と IAS の物理学者 Douglas Stanford 氏は述べています。オックスフォード大学の数理物理学者であるクリス・ビームは、「彼らがひも理論家だと言うべきかどうかは、もはや誰にもわかりません。 「とてもややこしくなってきました。」
今日のひも理論はほとんどフラクタルに見えます。人々が 1 つのコーナーを詳しく調べれば調べるほど、より多くの構造が見つかります。特定の隙間を深く掘り下げる人もいます。ズームアウトして、より壮大なパターンを理解しようとする人もいます。要するに、今日のひも理論には、もはやひもとは思えないものがたくさん含まれているということです。ハーモニクスが息を吹き込むと考えられていた弦の小さなループは、自然に知られているすべての粒子と力 (とらえどころのない重力を含む) に形成され、会議の黒板に表示されることさえほとんどありません。昨年の大規模なストリング理論の年次会議で、スタンフォード大学のストリング理論家エヴァ・シルバースタインは、彼女が「ストリング理論について適切な」講演を行った数少ない人物の 1 人であることを知って面白がったと彼女は言いました。多くの場合、彼女は宇宙論に関連する問題に取り組んでいます.
ひも理論の数学的ツールが物理科学全体に採用されるようになっても、物理学者はひも理論の中心的な緊張に対処する方法に苦労してきました。おもちゃの宇宙ではなく、私たち自身の宇宙で、重力と量子力学がどのように調和するかについて研究者に洞察を与えることができるでしょうか?
「問題は、弦理論が理論物理学の風景の中に存在することです」と、IAS の数理物理学者であり、おそらく今日この分野で最も著名な人物である Juan Maldacena は述べています。 「しかし、それが重力の理論として自然とどのように結びついているかはまだわかっていません。」マルダセナは現在、ひも理論の幅広さと、物理学の多くの分野にとってのその重要性を認めており、「ひも」が宇宙の基本的なものである必要がない分野でさえも、ひも理論を「自然幾何学における固体理論研究」と定義しています。構造。」
量子場の爆発
すべての理論としてのひも理論の最高点は、1990 年代後半にマルダセナが 5 次元の重力を含むひも理論が 4 次元の場の量子論と同等であることを明らかにしたときでした。この「AdS/CFT」の双対性は、古き良きよく理解されている場の量子論に関連付けることで、重力 — パズルの最も妥協のないピース — を扱うためのマップを提供するように見えました.
この対応は、完全な現実世界のモデルとは考えられていませんでした。それが機能する 5 次元空間は、「アンチ デ シッター」幾何学、奇妙な M.C.私たちの宇宙とはかけ離れた、エッシャーのような風景。
しかし、研究者たちは、二重性の反対側を深く掘り下げて驚いた.ほとんどの人は、場の量子論 — 「パンとバターの物理学」とダイクグラーフが呼んでいる — が十分に理解されており、半世紀にわたって存在していたことを当然のことと考えていました。結局のところ、Dijkgraaf 氏は、「私たちはそれらを非常に限られた方法でしか理解していません」と述べています。
これらの場の量子論は、特殊相対性理論と量子力学を統合するために 1950 年代に開発されました。それらは、非常に小さなスケールと高エネルギーで壊れても問題にならなかったほど、十分長く機能しました。しかし今日、物理学者が「60 年前に理解したと思っていた部分」を再検討すると、IAS の物理学者であるニマ・アルカニ・ハメド氏は、「驚くべき構造」に完全に驚かされると述べています。 「私たちが場の量子論を理解したという考えのあらゆる側面が間違っていることが判明しました。はるかに大きな獣です。」
研究者は、過去 10 年ほどの間に膨大な数の場の量子論を開発し、それぞれが異なる物理システムの研究に使用されてきました。 Beem は、量子場でさえ説明できない量子場理論があるのではないかと考えています。 「これと同じくらい狂ったように聞こえる意見がありますが、それは主にひも理論のせいです。」
この新しい種類の場の量子論の仮想的な爆発は、1930 年代の物理学を不気味に思い起こさせます。1930 年代には、新しい種類の粒子 (ミューオン) の予期せぬ出現が I.I. の欲求不満を引き起こしました。ラビは「誰が注文したの?」と尋ねます。 1950 年代になると、新しい粒子の洪水はあまりにも圧倒的だったので、エンリコ フェルミは「これらすべての粒子の名前を覚えていたら、私は植物学者になっていただろう」と不平を言いました。
物理学者は、クォークやグルオンのような、より基本的な構成要素がそれらを構成することを発見したときにのみ、新しい粒子の茂みを通り抜け始めました.現在、多くの物理学者が場の量子論で同じことを試みています。動物園を理解しようとする試みの中で、多くの人は特定の外来種についてできる限りのことを学びます。
等角場理論 (AdS/CFT の右腕) が出発点です。 IAS の物理学者である David Simmons-Duffin 氏は、単純化されたタイプの場の量子論から始めて、短い距離でも長い距離でも同じように動作すると述べています。こうした特定の場の理論が完全に理解できれば、深い疑問に対する答えが明らかになるかもしれません。 「象の足を本当によく理解していれば、その間を補間して、全体がどのように見えるかを理解できるという考えです。」
彼の同僚の多くと同様に、Simmons-Duffin は、彼がひも理論家であると言います。その主な意味は、発展途上の分野で基礎物理学を研究しているすべての人を包括する用語になっているという意味です。彼は現在、共形場の理論によって記述されているが、文字列とは関係のない物理システムに焦点を当てています。実際、この系は、気体と液体の区別がなくなる「臨界点」にある水です。臨界点での水の挙動は、より単純なものから生じる複雑な創発システムであるため、興味深いです。そのため、場の量子論の出現の背後にあるダイナミクスを示唆している可能性があります。
Beem は、物理学者がこれらを意図的な単純化と呼んでいるように、もう 1 つの玩具モデルである超対称場の理論に焦点を当てています。 「扱いやすくするために、いくつかの非現実的な機能を追加しています」と彼は言いました。具体的には、それらは扱いやすい数学に適しているため、「多くのことが計算可能になります」。
おもちゃの模型は、ほとんどの種類の研究で標準的なツールです。しかし、単純化されたシナリオから学んだことが現実の世界に当てはまらないという恐怖は常にあります。 「これは悪魔との取引のようなものです」とビームは言いました。 「ひも理論は、場の量子論よりもはるかに厳密に構築されていない一連のアイデアであるため、基準を少し緩和する必要があります」と彼は言いました。 「しかし、あなたはそれに対して報われます。仕事をするための素晴らしい、より大きなコンテキストを提供してくれます。」
カリフォルニア工科大学の理論物理学者であるショーン・キャロルのような人々は、この分野が初期の野望から大きく外れてしまったのではないかと疑問に思うのは、この種の研究だ。量子重力の理論。 「量子重力に関する深い疑問に答えることは、実際には起こっていません」と彼は言いました。 「彼らはこれらのハンマーをすべて持っていて、釘を探しに行きます。」それは問題ないと彼は言い、量子重力の新しい理論を開発するには世代が必要になるかもしれないことを認めさえしました。 「しかし、最終的には現実世界を描写することが目標であることを忘れてはいけません。」
それは彼が友達に尋ねた質問です。なぜ彼らは詳細な場の量子論を研究しているのでしょうか? 「抱負は？」彼は尋ねます。彼らの答えは論理的であると彼は言いますが、私たちの宇宙の真の説明を開発することから一歩離れています.
代わりに、彼は「量子力学内で重力を見つける」方法を探しています。彼が同僚と最近書いた論文は、まさにそのための措置を講じていると主張しています。ひも理論は含まれません。
文字列の幅広い力
ひも理論の開花から最も多くを得た分野は、おそらく数学そのものでしょう。 IAS 池のそばのベンチに座って、アオサギが葦の中で歩き回っているのを見ながら、そこの研究者である Clay Córdova は、問題がひもにどのように見えるかを想像することによって、数学の難しそうな問題がどのように解決されたかを説明しました。たとえば、カラビ-ヤウ多様体 (時空がどのようにコンパクト化されるかを表すと予想される複雑な折り畳み形状) の内部にはいくつの球体が収まるでしょうか?数学者は立ち往生していました。しかし、二次元のひもは、そのような複雑な空間で揺れ動きます。数学的多次元なげなわのように、小刻みに動きながら新しい洞察をつかむことができました。これは、アインシュタインが有名だった種類の物理的思考でした。光線に沿って乗ることに関する思考実験は、E=mc を明らかにしました。建物から落ちることを想像することは、彼の最大のひらめきの瞬間につながりました。重力は力ではありません。それは時空の特性です。
ストリングによって提供される物理的な直感を使用して、物理学者は、埋め込まれた球体の質問に対する答えを得るための強力な公式などを作成しました。 「彼らは、数学者が許可していないツールを使用して、これらの公式にたどり着きました」と Córdova 氏は述べています。次に、ひも理論家が答えを見つけた後、数学者は独自の条件でそれを証明しました。 「これは一種の実験です」と彼は説明した。 「これは内部の数学的実験です。」厳密な解法は間違っていなかっただけでなく、フィールズ賞を受賞した数学につながりました。 「これは続いています」と彼は言いました。
超弦理論は宇宙論にも重要な貢献をしてきました。宇宙のインフレーション膨張の背後にあるメカニズムを考える上でひも理論が果たした役割 — 量子効果が重力と正面からぶつかったビッグバン直後の瞬間 — は「驚くほど強力」であるとシルバースタインは述べた。 .
それでも、シルバースタインと同僚は弦理論を使用して、とりわけ、さまざまなインフレのアイデアの潜在的に観察可能な兆候を確認する方法を発見しました。場の量子論を使っても同じ洞察が得られたかもしれないが、そうではなかった、と彼女は言った。 「ひも理論では、その余分な構造により、はるかに自然です。」
インフレーション モデルは、複数の方法でひも理論に絡み合っています。特に多元宇宙は、私たちの宇宙がおそらく無限の数の宇宙の 1 つであり、それぞれが私たち自身の宇宙を生み出したのと同じメカニズムによって作成されたという考えです。ひも理論と宇宙論の間で、可能性のある宇宙の無限の景観のアイデアは、受け入れられるだけでなく、多くの物理学者によって当然と見なされるようになりました.シルバースタイン氏によると、選択効果は、私たちの世界がこのようになっている理由の 1 つの非常に自然な説明になるでしょう。非常に異なる宇宙では、私たちは物語を語るためにここにいないでしょう.
この効果は、ひも理論が解決するはずだった大きな問題に対する 1 つの答えになる可能性があります。 Gross が言うように、「この特定の理論」 (標準モデル) を「無数の無限の可能性」から選び出すものは何ですか?
シルバースタインは、選択効果はひも理論の良い議論であると考えています。可能性のある宇宙の無限の風景は、「ひも理論に見られる豊かな構造」と直接結びついていると彼女は言いました。ひも理論の多次元時空がそれ自体に折り畳まれる無数の方法です.
新しいアトラスの構築
少なくとも、弦理論の成熟したバージョン (研究者が問題を新しい方法で見ることができる数学的ツールを備えている) は、一見矛盾しているように見える自然の説明がどのように真実であるかを確認するための強力な新しい方法を提供しています。同じ現象の二重記述の発見は、物理学の歴史をほぼ要約しています。 1世紀半前、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、電気と磁気がコインの裏表であることに気づきました。量子論は、粒子と波の関係を明らかにしました。今、物理学者はひもを持っています.
Beem 氏は、「私たちが空間を調査している基本的なものは、粒子ではなく文字列です」と、文字列は「ものの見方が異なります」と述べています。場の量子論を使用して A から B に到達するのが難しすぎる場合は、ひも理論で問題を再考してください。「道はある」と Beem は言いました。
宇宙論では、ひも理論は「物理モデルをより簡単に考えられるようにパッケージ化する」とシルバースタイン氏は述べています。これらのゆるい紐をすべて結び合わせて首尾一貫した全体像を織り上げるには何世紀もかかるかもしれませんが、Beem のような若い研究者は少しも気にしません。彼の世代は、ひも理論がすべてを解決するとは思っていませんでした。 「私たちは立ち往生していません」と彼は言いました。 「すべてを整理しようとしているとは思えませんが、前日よりも毎日多くのことを知っています。おそらく、どこかに到達していると思われます。」
スタンフォードはこれを大きなクロスワード パズルと考えています。 「まだ完成していませんが、解き始めると、有効なパズルであることがわかります」と彼は言いました。 「常に整合性チェックに合格しています。」
「地球儀のように、簡単に定義できる自己完結型の形で宇宙を捉えることさえできないかもしれません」ダイクグラーフ氏は、ロバート オッペンハイマー氏がアインシュタインの上司だった頃から多くの窓のあるオフィスに座って、IAS の広大な芝生を見下ろしながら語った。 、遠くの池と森。アインシュタインもまた、すべての理論を見つけようとして失敗しましたが、それは彼の天才を損なうものではありません.
「おそらく、本当の姿はアトラスの地図に似ており、それぞれが非常に異なる種類の情報を提供し、それぞれがむらがあります」とダイクグラーフは言いました。 「アトラスを使用するには、物理学が同時に多くの言語、多くのアプローチに堪能である必要があります。彼らの仕事は、おそらく広範囲にわたる、さまざまな方向からもたらされるでしょう。」
彼はそれが「完全に方向感覚を失う」と同時に「素晴らしい」とも感じています。
Arkani-Hamed は、量子力学が 1920 年代に登場して以来、私たちは物理学の最も刺激的な時代にいると考えています。しかし、すぐには何も起こりません。 「これまでで最も大きな実存物理学の質問に責任を持って取り組むことに興奮しているなら、興奮するはずです」と彼は言いました. 「しかし、今後 15 年以内に確実にストックホルム行きのチケットが必要な場合は、おそらくそうではないでしょう。」
