理論物理学は複雑であるという評判があります。失礼ですが同意できません。自然法則を数学的形式で書き留めることができるということは、私たちが扱う法則が単純であることを意味します — 他の科学分野の法則よりもはるかに単純です.
残念ながら、これらの方程式を実際に解くことは、それほど単純ではないことがよくあります。たとえば、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子を説明する完全に優れた理論がありますが、それらがどのように集まって陽子を作るかを計算することはできません。方程式は、既知の方法では解決できません。同様に、ブラック ホールの合体や渓流の流れさえも、一見単純な言葉で説明できますが、特定のケースで何が起こるかを言うのは恐ろしく困難です。
もちろん、私たちは絶え間なく限界を押し広げ、新しい数学的戦略を探しています。しかし、近年では、より洗練された数学ではなく、より多くのコンピューティング パワーが推進力となっています。
1980 年代に最初の数学ソフトウェアが利用可能になったとき、それは誰かが解かれた積分の膨大な印刷されたリストを検索するのを節約しただけでした。しかし、物理学者がコンピューターをすぐに使えるようになると、そもそも積分を解く必要がなくなり、解をプロットするだけでよいことに気付きました。
1990 年代には、多くの物理学者がこの「プロットするだけ」のアプローチに反対しました。多くの人はコンピューター分析の訓練を受けておらず、コーディング アーティファクトから物理的な影響を判断できないこともありました。そのせいか、結果が「数値ばかり」と貶められたセミナーが多かった記憶があります。しかし、過去 20 年間で、この態度は著しく変化しました。これは特に、コーディングが数学スキルの自然な延長である新世代の物理学者のおかげです。
したがって、理論物理学には現在、現実世界のシステムのコンピューター シミュレーションに特化した多くの下位分野があり、これは他の方法では不可能な研究です。コンピューター シミュレーションは現在、銀河や超銀河構造の形成を研究したり、複数のクォークで構成される粒子の質量を計算したり、大きな原子核の衝突で何が起こっているかを調べたり、太陽周期を理解したりするために使用されています。主にコンピューターに基づいた研究分野をいくつか挙げてみます。
純粋な数学的モデリングからのこの移行の次のステップは、すでに進行中です。物理学者は現在、よりよく理解したい他のシステムの代わりに実験室システムをカスタム設計しています。彼らは実験室でシミュレートされたシステムを観察して、それが表すシステムについて結論を出し、予測を行います。
その最たる例が「量子シミュレーション」と呼ばれる研究分野でしょう。これらは、原子の雲のように、相互作用する複合オブジェクトで構成されるシステムです。物理学者は、これらのオブジェクト間の相互作用を操作して、システムがより基本的な粒子間の相互作用に似るようにします。たとえば、回路の量子電気力学では、研究者は小さな超伝導回路を使用して原子をシミュレートし、これらの人工原子が光子とどのように相互作用するかを研究しています。または、ミュンヘンの研究室では、物理学者が極低温原子の超流動を使用して、ヒッグスのような粒子が空間の 2 次元に存在できるかどうかについての議論に決着をつけています (答えはイエスです)。
これらのシミュレーションは、私たちがすでに知っている理論の数学的ハードルを克服するのに役立つだけではありません。また、それらを使用して、これまで研究されておらず、関連性がまだわかっていない新しい理論の結果を調査することもできます。
これは、空間と時間自体の量子的挙動に関して特に興味深いものです。これは、まだ適切な理論が確立されていない領域です。たとえば、最近の実験では、カナダのオンタリオ州にあるウォータールー大学の量子コンピューティング研究所の物理学者である Raymond Laflamme と彼のグループは、量子シミュレーションを使用して、いわゆるスピン ネットワークと呼ばれる構造を研究しました。 、時空の基本的な構造を構成します。また、ミュンヘン大学の物理学者 Gia Dvali は、極低温の原子ガスでブラック ホールの情報処理をシミュレートする方法を提案しました。
同様のアイデアは、物理学者が流体を使用して重力場での粒子の挙動を模倣するアナログ重力の分野でも追求されています。ブラック ホールの時空は、ブラック ホールの類似物でホーキング放射を測定したという Jeff Steinhauer の (いまだに物議をかもしている) 主張と同様に、多くの注目を集めています。しかし、研究者は、重力の流体類似物を使用して、「インフレーション」と呼ばれる初期宇宙の急速な膨張も研究しています。
さらに、物理学者は、準粒子と呼ばれる代役を観察することによって、仮想の基本粒子を研究してきました。これらの準粒子は基本粒子のように振る舞いますが、他の多くの粒子の集団運動から発生します。それらの特性を理解することで、それらの行動についてより多くのことを学ぶことができ、それによって本物を観察する方法を見つけるのにも役立つかもしれません.
この一連の研究は、いくつかの大きな疑問を提起します。まず第一に、私たちが現在基本的であると信じているものを複合準粒子を使ってシミュレートできれば、現在基本的であると考えられている空間と時間、および素粒子物理学の標準モデルを構成する25個の粒子が構成されている可能性があります。根底にある構造も。そもそも系の振る舞いを説明するとはどういうことなのか、量子シミュレーションでも考えさせられます。システムの単純化されたバージョンを使用して観察、測定、および予測を行うことは、説明になりますか?
しかし、私にとって、この開発の最も興味深い側面は、物理学のやり方が最終的に変わることです。量子シミュレーションでは、数学モデルは二次的な関連性があります。現在、数学を使用して適切なシステムを特定しています。これは、数学が検索すべきプロパティを示しているためです。しかし、厳密に言えば、それは必要ではありません。おそらく、時間の経過とともに、実験者は、どのシステムがどの数学にマッピングされるかを学習したように、どのシステムが他のどのシステムにマッピングされるかを学習するでしょう。おそらくいつの日か、計算を行うのではなく、単純化されたシステムの観測を使用して予測を行うようになるでしょう.
現在、私の同僚のほとんどは、この将来のビジョンにぞっとするでしょう。しかし、私の考えでは、実験室でシステムの単純化されたモデルを構築することは、物理学者が何世紀にもわたって行ってきたこと、つまり物理システムの単純化されたモデルを数学の言語で書き留めることと、概念的にそれほど違いはありません。
