1935 年、量子力学とアルバート アインシュタインの一般相対性理論の両方が若かった頃、あまり知られていないソ連の物理学者マトヴェイ ブロンスタイン (28 歳) が、重力の量子論において 2 つを調和させる問題について初めて詳細な研究を行いました。ブロンスタインが呼んだこの「世界全体の可能性のある理論」は、重力を時空の連続体の曲線としてキャストするアインシュタインの古典的な重力の記述に取って代わり、残りの物理学と同じ量子言語で書き直します。 .
ブロンスタインは、現在グラビトンと呼ばれる量子化された粒子の観点から重力を説明する方法を考え出しましたが、それは重力が弱い場合、つまり (一般相対性理論では) 時空構造が非常に弱く湾曲しているため近似できる場合に限られます。フラットとして。重力が強い場合、「状況はまったく異なります」と彼は書いています。 「古典的な概念を大幅に修正しなければ、重力の量子論をこの領域にまで拡張することはほとんど不可能に思えます。」
彼の言葉は預言的でした。それから 83 年が経った今でも、物理学者たちは、重力のより基本的なおそらく量子像から巨視的なスケールで時空の湾曲がどのように発生するかを理解しようとしています。それはおそらく物理学で最も深い問題です。おそらく、チャンスがあれば、機知に富んだブロンスタインが物事を加速させるのに役立ったかもしれません。量子重力のほかに、彼は天体物理学と宇宙論、半導体理論、量子電気力学に貢献し、スターリンの大粛清に巻き込まれ、1938 年に 31 歳で処刑される前に、子供向けの科学書をいくつか執筆しました。
量子重力の完全な理論の探求は、重力の量子特性が実際の経験で決して現れないように見えるという事実によって妨げられてきました。物理学者は、滑らかな時空連続体に関するアインシュタインの記述や、それが弱く湾曲している場合のブロンシュタインの量子近似がどのように間違っているかを理解することはできません。
問題は、重力の極端な弱点です。強い力、弱い力、電磁気力を伝達する量子化された粒子は非常に強力であるため、物質を原子にしっかりと結合し、卓上実験で研究できますが、グラビトンは個々に非常に弱いため、実験室でそれらを検出する見込みはありません。重力子を高い確率で検出するには、粒子検出器が非常に巨大で重くなければならず、崩壊してブラック ホールになります。この弱点が、他の巨大な天体に重力の影響を与えるのに天文学的な質量の蓄積が必要な理由であり、なぜ重力は大きくしか見えないのか.
それだけでなく、宇宙は一種の宇宙検閲によって支配されているように見える:極端な重力の領域 - 時空が非常に急激に曲がるため、アインシュタインの方程式が誤動作し、重力と時空の真の量子的性質が明らかにされなければならない -常にブラック ホールの地平線の後ろに隠れます。
ハーバード大学の理論物理学者であるイゴール・ピコフスキーは、「数年前でさえ、重力場の量子化を測定することはおそらく不可能であるというのが一般的なコンセンサスでした」と述べています.
さて、最近 Physical Review Letters に掲載された 2 編の論文 算数を変更しました。論文は、結局のところ、量子重力にアクセスすることは可能であると主張していますが、それについて何も学んでいません.ユニバーシティ カレッジ ロンドンの Sougato Bose と 9 人の共同研究者、およびオックスフォード大学の Chiara Marletto と Vlatko Vedral によって書かれた論文は、重力が他のすべてのものと同様に量子力であることを確認できる、技術的に困難ではあるが実行可能な卓上実験を提案しています。 、グラビトンを検出することなく。ダートマス大学の量子物理学者で、この研究には関与していない Miles Blencowe は、この実験によって、そうでなければ目に見えない量子重力の確かな兆候、つまり「チェシャ猫のにやにや笑い」が検出されるだろうと語った。
提案された実験では、2 つの物体 (Bose のグループは 1 組のマイクロダイヤモンドを使用する予定) が相互の引力によって量子力学的に絡み合うことができるかどうかを判断します。エンタングルメントは、粒子が不可分に絡み合い、可能な結合状態を特定する単一の物理的記述を共有する量子現象です。 (「重ね合わせ」と呼ばれる異なる可能な状態の共存は、量子システムの特徴です。) たとえば、粒子の絡み合ったペアが重ね合わせに存在し、粒子 A の「スピン」が 50% の確率で存在する場合があります。は上向き、B は下向きで、逆の確率は 50% です。粒子のスピン方向を測定するときにどのような結果が得られるかは事前にわかりませんが、反対方向を指すことは確実です。
著者らは、提案された実験で 2 つの物体がこのように絡み合うことができるのは、それらの間に作用する力 (この場合は重力) が、量子の重ね合わせを維持できる重力子によって媒介される量子相互作用である場合のみであると主張しています。 「もしあなたが実験を行い、エンタングルメントを得ることができれば、それらの論文によると、重力は量子化されていると結論付けなければなりません」と Blencowe は説明しました。
ダイヤモンドをエンタングルするには
量子重力は非常に知覚できないため、一部の研究者はそれが存在するかどうかさえ疑問視しています。由緒ある数理物理学者のフリーマン・ダイソン (94 歳) は、2001 年以来、宇宙は一種の「二元論的」記述を維持している可能性があると主張しており、「アインシュタインの一般相対性理論によって記述された重力場は、量子的な振る舞いを持たない純粋に古典的な場である」と述べています。彼はその年に The New York Review of Books に執筆しました 、この滑らかな時空連続体内のすべての物質は、確率論的規則に従う粒子に量子化されますが.
量子電気力学 (物質と光の間の相互作用の理論) の開発に貢献し、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の名誉教授であり、アインシュタインと重なったダイソンは、量子重力が説明に必要であるという議論に同意しません。ブラックホールの到達不可能な内部。そして彼は、仮想的な重力子を検出することは原理的にさえ不可能なのだろうかと考えています。その場合、彼は、量子重力は物理学ではなく形而上学的であると主張します.
懐疑的なのは彼だけではない。有名な英国の物理学者ロジャー ペンローズ卿と、独立してハンガリーの研究者ラホス ディオシは、時空は重ね合わせを維持できないという仮説を立てました。彼らは、その滑らかでしっかりした、基本的に古典的な性質により、一度に2つの異なる方法で曲がることができず、その剛性がまさに電子や光子などの量子系の重ね合わせを崩壊させる原因であると主張しています.彼らの見解では、この「重力のデコヒーレンス」は、巨視的スケールで経験される単一の、堅固で、古典的な現実を生み出します。
量子重力の「笑顔」を検出する能力は、ダイソンの主張に反論するように思われる.また、重力と時空が量子の重ね合わせを維持することを示すことにより、重力デコヒーレンス理論を殺すことにもなります。
Bose と Marletto の提案はほとんど偶然に同時に現れたものですが、専門家はそれらが時代精神を反映していると述べています。世界中の実験的な量子物理学研究所は、これまで以上に大きな顕微鏡オブジェクトを量子重ね合わせに入れ、2 つの量子システムが絡み合っているかどうかをテストするためのプロトコルを合理化しています。提案された実験では、これらの手順を組み合わせる必要がありますが、規模と感度をさらに改善する必要があります。それをやってのけるには10年以上かかる可能性があります。 「しかし、物理的な障害はありません」と、実験室での実験が重力現象をどのように調査するかについても研究している Pikovski 氏は述べています。 「難しいとは思いますが、不可能ではないと思います。」
この計画は、ボーズと共同執筆者による論文でより詳細に説明されています — オーシャンズ イレブン 提案のさまざまなステップの専門家のキャスト。たとえば、ウォリック大学の彼の研究室では、共著者の Gavin Morley がステップ 1 に取り組んでおり、マイクロダイヤモンドを 2 つの場所の量子重ね合わせに配置しようとしています。これを行うために、彼はマイクロダイヤモンドの構造内の空孔の隣に窒素原子を埋め込み、マイクロ波パルスでザッピングします。窒素空孔系を周回する電子は、光を吸収する場合と吸収しない場合の両方があり、系は、時計回りに回転する可能性と反時計回りに回転する可能性があるこまのように、上下の 2 つのスピン方向の量子重ね合わせに入ります。 .この重なり合ったスピンを積んだマイクロダイヤモンドは磁場にさらされ、アップスピンは左に移動し、ダウンスピンは右に移動します。したがって、ダイヤモンド自体は 2 つの軌跡の重ね合わせに分割されます。
完全な実験では、研究者はこれらすべてを、超低温真空内で隣り合わせに吊るされた 2 つのダイヤモンド (たとえば、青と赤のダイヤモンド) に対して行う必要があります。それらを保持しているトラップがオフになると、2 つのマイクロダイヤモンドが、それぞれ 2 つの位置で重なり合って、真空中を垂直に落下します。落下すると、ダイヤモンドは互いの重力を感じます。しかし、それらの引力はどのくらい強いのでしょうか?
重力が量子相互作用である場合、答えは次のとおりです。それは依存します。ブルー ダイヤモンドの重ね合わせの各構成要素は、レッド ダイヤモンドが重ね合わせの枝に近いか遠いかに応じて、レッド ダイヤモンドへの引力が強くなったり弱くなったりします。そして、赤いダイヤモンドの重ね合わせの各構成要素が感じる重力は、同様に青いダイヤモンドがどこにあるかによって異なります。
いずれの場合も、さまざまな程度の引力が、ダイヤモンドの重ね合わせの進化するコンポーネントに影響を与えます。 2 つのダイヤモンドは相互に依存するようになります。つまり、それらの状態は組み合わせでしか指定できないことを意味します。これがあれば、それが可能です。最終的に、2 つの窒素空孔系のスピン方向が相関します。
マイクロダイヤモンドが約 3 秒間並んで落ちた後 (互いの重力によって絡み合うのに十分な時間)、それらは別の磁場を通過し、それぞれの重ね合わせの枝を元に戻します。実験の最後のステップは、オランダの物理学者 Barbara Terhal などによって開発された「もつれの証人」プロトコルです。青と赤のダイヤモンドは、窒素空孔系のスピン方向を測定する別々の装置に入ります。 (測定により、重ね合わせが明確な状態に崩壊します。)次に、2 つの結果が比較されます。実験全体を何度も実行し、多くのペアのスピン測定値を比較することで、研究者は、2 つの量子系のスピンが、量子力学的に絡み合っていないオブジェクトの既知の上限よりも頻繁に相互に相関しているかどうかを判断できます。 .その場合、重力がダイヤモンドを絡ませ、重ね合わせを維持できるということになります。
「議論の素晴らしいところは、特に量子論が何であるかを実際に知る必要がないことです」とブレンコーは言いました。 「あなたが言わなければならないのは、このフィールドには、2 つの粒子間の力を仲介する量子的な側面がなければならないということだけです。」
技術的な課題はたくさんあります。以前に 2 つの場所を重ね合わせた最大の物体は、800 原子の分子です。各マイクロダイヤモンドには 1000 億個以上の炭素原子が含まれており、十分な重力を発生させるのに十分です。その量子力学的性質を明らかにするには、温度を下げ、真空度を上げ、より細かく制御する必要があります。 UCL に拠点を置く実験チームのメンバーで、レーザー冷却とマイクロダイヤモンドのトラップの方法を改善している Peter Barker 氏は、次のように述べています。 Bose 氏は、1 つのダイヤモンドでそれができるのであれば、「2 つであっても大した違いはありません」と付け加えました。
重力がユニークな理由
量子重力の研究者は、重力がもつれを誘発できる量子相互作用であることを疑いません。確かに、重力はいくつかの点で特別であり、空間と時間の起源について解明すべきことはたくさんありますが、量子力学が関与しているに違いないと彼らは言います。マサチューセッツ工科大学の量子重力研究者であるダニエル・ハーロウは、「物理学の残りの部分が量子であり、重力が古典であるという理論を作ろうとすることは、あまり意味がありません。混合量子古典モデルに対する理論的議論は強力です (決定的ではありませんが)。
一方で、理論家はこれまで間違っていた、とハーロウは次のように述べています。それがこれらの人々を黙らせるなら」 — 重力の量子性に疑問を呈する人々を意味します — 「それは素晴らしいことです.」
PRL を読んだ後、Dyson は電子メールで次のように書いています。 「提案された実験は確かに非常に興味深いものであり、実際の量子システムで実行する価値があります。」しかし、彼は、量子場に関する著者の考え方は彼のものとは異なると述べた. 「[実験]が量子重力が存在するかどうかの問題を解決するかどうかは、私には明らかではありません」と彼は書いています. 「単一の重力子が観測可能かどうか、私が尋ねてきた質問は別の質問であり、別の答えが得られる可能性があります。」
実際、Bose、Marletto、および共著者が量子化された重力について考える方法は、1935 年にブロンスタインが最初にそれをどのように考えたかに由来しています (ダイソンは、ブロンスタインの論文を彼が以前に見たことのない「美しい作品」と呼びました)。 、ブロンスタインは、小さな質量によって生成される弱い重力がニュートンの重力の法則によって近似できることを示しました。 (これは、マイクロダイヤモンドの重ね合わせの間に作用する力です。) ブレンコーによると、弱い量子化重力計算は、ブラック ホールやビッグバンの物理学よりも物理的に関連性が高いにもかかわらず、あまり開発されていません。彼は、新しい実験的提案が、将来の卓上実験で調べることができるかもしれないニュートン近似に微妙な修正があるかどうかを理論家が発見するよう刺激することを望んでいます.
スタンフォード大学の著名な量子重力およびひも理論家であるレナード・サスキンドは、「質量と距離の新しい範囲での重力の観測を提供する」ため、提案された実験を実行することに価値があると考えました。しかし、彼と他の研究者は、マイクロダイヤモンドが量子重力や時空の完全な理論について何も明らかにできないことを強調しました.彼と彼の同僚は、ブラック ホールの中心とビッグバンの瞬間に何が起こるかを理解したいと考えています。
おそらく、重力を量子化することが他の何よりも難しい理由の 1 つの手がかりは、自然界の他の力場が「局所性」と呼ばれる特徴を示すことです。 ）は「宇宙の他の領域の物理的実体から独立している」と、ブリティッシュコロンビア大学の量子重力理論家であるMark Van Raamsdonkは述べた.しかし、「それが重力の仕組みではないという理論的証拠が少なくともたくさんあります。」
量子重力の最良の玩具モデル (実際の宇宙のものよりも単純な時空幾何学を持っている) では、曲がりくねった時空構造が独立した 3D ピースに分割されると仮定することは不可能です, Van Raamsdonk言った。代わりに、現代の理論は、空間の根底にある基本的な構成要素が「2次元の方法でより組織化されている」ことを示唆しています。時空の構造は、ホログラムやビデオ ゲームのようなものかもしれません。その場合、3 次元の世界は、そのさまざまな部分がそれほど独立していないという意味で幻想です。ビデオ ゲームに例えれば、2 次元チップに格納された少数のビットが、ゲームの宇宙のグローバルな特徴をエンコードする可能性があります。
この違いは、量子重力理論を構築しようとするときに重要になります。何かを量子化する通常のアプローチは、その独立した部分 (粒子など) を識別し、それらに量子力学を適用することです。しかし、正しい成分を特定しないと、間違った方程式が得られます。ブロンスタインが行ったように、3 次元空間を直接量子化することは、重力が弱い場合にはある程度機能しますが、時空が非常に湾曲している場合、この方法は失敗します。
一部の専門家は、量子重力の「にやにや笑い」を目撃することは、これらの抽象的な推論の動機付けに役立つと述べています。結局のところ、量子重力の存在に関する最も賢明な理論的議論でさえ、実験的事実の重力を欠いています。 Van Raamsdonk がコロキウムまたは会話で彼の研究を説明するとき、彼は通常、重力を量子力学と調和させる必要があると言うことから始めなければならないと言いました。粒子が到達不可能なほど高いエネルギーで衝突する実験。 「しかし、この単純な実験を行って、重力場が実際に重ね合わせにあることを示す結果を得ることができれば」と彼は言った.これは、重力が量子であることを示唆しています。」
2018 年 3 月 6 日訂正:この記事の以前のバージョンでは、ダートマス大学に言及していました。ダートマスには複数の個別の学校があり、大学や専門の大学院だけでなく学部も含まれていますが、この機関は歴史的な理由から自らをダートマス カレッジと呼んでいます。
