コーヒーにミルクを注ぐと、白の渦と巻きひげがすぐに茶色に消えていきます。 30分で、飲み物は室温まで冷えます。何日も放置すると、液体が蒸発します。数世紀後、カップは崩壊し、数十億年後、地球全体、太陽、太陽系が分散します。宇宙全体で、すべての物質とエネルギーはコーヒーや星のようなホット スポットから拡散し、最終的には (数兆年後に) 宇宙全体に均一に広がる運命にあります。つまり、コーヒーと宇宙には同じ未来が待っているということです。
この「熱化」と呼ばれる物質とエネルギーの漸進的な広がりは、時間の矢を狙っています。しかし、時間の矢は元に戻すことができないため、熱いコーヒーは冷めますが、自然に熱くなることは決してないという事実は、コーヒーの分子の動きを支配する基本的な法則には書かれていません。むしろ、熱化は統計的な結果です。新しいカードのデッキをシャッフルするとカードの順序がランダムになり、シャッフルを繰り返すのと同じように、コーヒーの熱は、冷たい空気の分子がコーヒーにエネルギーを集中させるよりも、空気中に拡散する可能性がはるかに高くなります。スーツとランクでそれらを再ソートすることは事実上ありません。コーヒー、カップ、空気が熱平衡に達すると、それらの間でエネルギーが流れなくなり、それ以上の変化は起こりません。このように、宇宙規模での熱平衡は「宇宙の熱的死」と呼ばれています。
しかし、熱化がどこにつながるか (生ぬるいコーヒーと最終的な熱死に至る) は簡単にわかりますが、そのプロセスがどのように始まるかはあまり明らかではありません。 「初期宇宙のように、平衡から遠く離れたところから始めた場合、時間の矢はどのようにして最初の原理から始まりますか?」ドイツのハイデルベルク大学の理論物理学者で、この問題を 10 年以上研究してきた Jürgen Berges は言いました。
ここ数年、Berges と同僚のネットワークは驚くべき答えを明らかにしてきました。研究者たちは、熱平衡から遠く離れた多くの粒子からなるさまざまな系の変化の初期段階を支配する単純な、いわゆる「普遍的な」法則を発見しました。彼らの計算によると、これらのシステムの例には、地球上でこれまでに生成された中で最も高温のプラズマと最も低温のガスが含まれており、おそらく最初の一瞬で宇宙を理論的に満たしたエネルギー場も含まれています。システムが何で構成されていても、同じ一握りのユニバーサル番号です。
この調査結果は、熱化の初期段階がその後の段階とは非常に異なる方法で展開することを示唆しています。特に、平衡からかけ離れたシステムはフラクタルのような挙動を示します。つまり、異なる空間的および時間的スケールで非常に同じように見えることを意味します。それらの特性は、いわゆる「スケーリング指数」によってのみシフトされます。科学者は、これらの指数が多くの場合、$latex \frac{1}{2}$ や $latex -\frac{1}{3} のような単純な数値であることを発見しています。 $.たとえば、スケーリング指数に従って、ある時点でのパーティクルの速度を再スケーリングして、前後の任意の時点での速度の分布を得ることができます。さまざまな極端な開始条件にあるすべての種類の量子システムは、このフラクタルのようなパターンに陥るように見え、標準的な熱化に移行する前の期間、普遍的なスケーリングを示します。
ハーバード大学の量子物理学者で、この研究には関与していない Nicole Yunger Halpern は、次のように述べています。 「これらの研究は、これらの非常に厄介で複雑なシステムでさえ、単純なパターンで記述できるという希望を与えてくれます。」
Berges は、2008 年以降、ユニバーサル スケーリングの物理学を解明する一連の独創的な論文を発表し、理論的な取り組みをリードしていると広く見なされています。 彼と共著者は、この春 Physical Review Letters の論文で別の一歩を踏み出しました ユニバーサルスケーリングへのランプアップである「プリスケーリング」を調査しました。ハイデルベルクの Thomas Gasenzer が率いるグループも PRL でのプリスケーリングを調査しました。 5 月の論文では、フラクタルのような挙動の開始をより深く考察しています。
一部の研究者は現在、実験室で平衡とはかけ離れたダイナミクスを調査しており、他の研究者は宇宙数の起源を掘り下げています。専門家によると、ユニバーサル スケーリングは、量子システムがどのように熱化できるかについての深い概念上の問題に対処するのにも役立っています。
ケンブリッジ大学のゾラン・ハジバビッチ氏は、「さまざまな面で混沌とした進歩が見られます」と述べています。彼と彼のチームは、カリウム 39 原子の高温ガスで、原子の相互作用強度を突然ダイヤルアップし、それらを進化させることによって、ユニバーサル スケーリングを研究しています。
エネルギー カスケード
Berges が平衡とはかけ離れたダイナミクスの研究を始めたとき、現在宇宙に存在する粒子が発生したときの宇宙の始まりの極限状態を理解したいと考えました。
これらの状態は、「宇宙インフレーション」の直後に発生した可能性があります。これは、多くの宇宙学者がビッグバンを急上昇させたと考えている宇宙の爆発的な膨張です。インフレーションは、既存の粒子を吹き飛ばし、空間自体の均一なエネルギーのみを残します。これは、「凝縮物」として知られる、完全に滑らかで高密度の振動するエネルギー場です。 Berges は 2008 年に共同研究者の Alexander Rothkopf と Jonas Schmidt と共にこの凝縮体をモデル化し、その進化の最初の段階がフラクタルのような普遍的なスケーリングを示すべきであることを発見しました。 「この大きな凝縮体が崩壊して、今日観測されている粒子になったとき、このプロセスはいくつかの数字で非常にエレガントに説明できることがわかります」と彼は言いました。
この普遍的なスケーリング現象がどのように見えるかを理解するために、最近の発見の鮮やかな歴史的前兆を考えてみてください。 1941 年、ロシアの数学者アンドレイ・コルモゴロフは、エネルギーが乱流を「カスケード」する方法を説明しました。たとえば、コーヒーをかき混ぜると、大きな空間スケールで渦が発生します。コルモゴロフは、この渦が自発的に小さな渦を生成し、それがさらに小さな渦を生み出すことに気付きました。コーヒーをかき混ぜると、システムに注入されたエネルギーは、空間スケールをカスケードして、ますます小さな渦になり、エネルギーの移動率は $latex -\frac{5}{3 の普遍的な指数減衰係数によって表されます}$、これは Kolmogorov が流体の寸法から推測したものです。
コルモゴロフの「$latex -\frac{5}{3}$ の法則」は、乱流研究の基礎となったにもかかわらず、常に謎に包まれていました。しかし現在、物理学者は、平衡からはほど遠いダイナミクスで、本質的に同じカスケードでフラクタルのような普遍的なスケーリング現象を発見しています。 Berges によると、エネルギー カスケードはおそらく両方の状況で発生します。これは、スケール全体にエネルギーを分配する最も効率的な方法だからです。私たちは本能的にこれを知っています。 「コーヒーに砂糖を分散させたい場合は、かき混ぜます」とベルジェスは言いました—それを振るのではなく. 「それがエネルギーを再配分する最も効率的な方法だということはご存知でしょう。」
平衡からかけ離れた系における普遍的なスケーリング現象と、乱流流体におけるフラクタル渦との間には、重要な違いが 1 つあります。流体の場合、コルモゴロフの法則は、空間次元を横切るエネルギーのカスケードを記述します。新しい研究では、研究者は、時間と空間の両方でフラクタルのような普遍的なスケーリングを受けている、平衡からかけ離れたシステムを見ています。
宇宙の誕生を迎えます。宇宙のインフレーションの後、仮想的に振動し、空間を満たす凝縮体は、すべてが同じ特性速度で移動する量子粒子の密集した場に急速に変化したでしょう。 Berges と彼の同僚は、これらの平衡からかけ離れた粒子が、宇宙の熱的進化を開始したときに、普遍的なスケーリング指数によって支配されるフラクタル スケーリングを示したと推測しています。
チームの計算とコンピューター シミュレーションによると、乱流に見られるような 1 つのカスケードではなく、反対方向に進む 2 つのカスケードがあったはずです。システム内の粒子のほとんどは、ある瞬間から次の瞬間まで減速し、特徴的な速度で徐々に低速にカスケードされます。この場合、スケーリング指数は約 $latex -\frac{3}{2}$ です。 .最終的にそれらは停止に達し、別の凝縮物を形成します。 (これは振動したり、粒子に変換したりしません。代わりに、徐々に減衰します。)一方、速度が低下している粒子から出るエネルギーの大部分は、指数 $latex \ frac{1}{2}$.基本的に、これらの粒子は非常に速く動き始めました。
高速粒子はその後崩壊して、今日存在するクォーク、電子、その他の素粒子になったでしょう。これらの粒子は、標準的な熱化を受けて、互いに散乱し、エネルギーを分配します。そのプロセスは現在の宇宙でも進行中であり、何兆年も続くでしょう.
シンプルさ
初期の宇宙についてのアイデアは、簡単にテストできません。しかし 2012 年頃、研究者たちは、実験でも平衡からかけ離れたシナリオが発生することに気付きました。つまり、ニューヨークの相対論的重イオン衝突型加速器とヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器で、重い原子核がほぼ光速で衝突する場合です。 .
これらの核衝突は、物質とエネルギーの極端な構成を生み出し、平衡に向かって緩和し始めます。衝突によって複雑な混乱が生じると思うかもしれません。しかし、ベルジェスと彼の同僚が衝突を理論的に分析したとき、彼らは構造と単純さを発見しました。 Berges 氏によると、ダイナミクスは「いくつかの数にエンコードできます」。
パターンが続きました。 2015 年頃、実験室で超低温の原子ガスを調査していた実験者と話をした後、Berges、Gasenzer、およびその他の理論家は、これらのシステムは、平衡から非常に遠い条件に急速に冷却された後も普遍的なスケーリングを示すはずであると計算しました.
昨秋、ハイデルベルクの Markus Oberthaler が率いるグループと、ウィーン量子科学技術センターの Jörg Schmiedmayer が率いる 2 つのグループが Nature で同時に報告しました。 彼らは、ガス中の 100,000 個ほどの原子のさまざまな特性が空間と時間にわたって変化する方法で、フラクタルのような普遍的なスケーリングを観察したことを明らかにしました。 「再び、単純化が発生します」と、そのようなシステムでの現象を最初に予測した 1 人である Berges 氏は述べています。 「ダイナミクスは、いくつかのスケーリング指数とユニバーサル スケーリング関数によって記述できることがわかります。そしてそれらのいくつかは、初期宇宙の粒子について予測されたものと同じであることが判明しました.それが普遍性です。」
研究者たちは現在、普遍的なスケーリング現象は、極低温原子のナノケルビン スケール、核衝突の 10 兆ケルビン スケール、および初期宇宙の 10,000 兆 兆ケルビン スケールで発生すると考えています。 「これが普遍性のポイントです。さまざまなエネルギーと長さのスケールでこれらの現象が見られると期待できます」と Berges 氏は述べています。
初期の宇宙の事例は、最も本質的な関心を持っているかもしれませんが、科学者が変化の初期段階を支配する普遍的なルールを解き明かすことを可能にしているのは、高度に制御され隔離された実験室システムです。ハジバビッチが言ったように、「私たちは箱の中にあるものをすべて知っています。 「現象を純粋な形で研究できるのは、この環境からの隔離です。」
主要な推進力の 1 つは、システムのスケーリング指数がどこから来るのかを解明することです。場合によっては、専門家は、システムが占有する空間次元の数、およびその対称性、つまり変更せずに変換できるすべての方法まで指数を追跡しました (正方形を 90 度回転させても同じままであるのと同じように)。 ).
これらの洞察は、システムが熱化するにつれて過去に関する情報に何が起こるかについてのパラドックスに対処するのに役立ちます.量子力学では、粒子が進化するにつれて、粒子の過去に関する情報が決して失われないことが求められます。それでも、熱化はこれと矛盾しているようです:無視された2杯のコーヒーが両方とも室温である場合、どちらが最初に熱くなったかをどのように判断できますか?
システムが進化し始めると、その対称性などの重要な詳細が保持され、そのフラクタル進化を指示するスケーリング指数にエンコードされるようになりますが、粒子の初期構成や粒子間の相互作用などの他の詳細は無関係になるようです。その振る舞いに、その粒子の間でスクランブルをかけます。
そして、このスクランブリング プロセスは非常に早い時期に発生します。今春の彼らの論文で、Berges、Gasenzer、および彼らの共同研究者は、それぞれの論文がそれぞれ核衝突と超低温原子を予測した普遍的なスケーリングの前の期間である、初めてプリスケーリングについて独自に説明しました。プリスケーリングは、システムが最初の、平衡からかけ離れた状態から最初に進化するとき、スケーリング指数がまだそれを完全に説明していないことを示唆しています。システムは以前の構造の一部、つまり初期構成の残骸を保持しています。しかし、プレスケーリングが進むにつれて、システムは空間と時間においてより普遍的な形をとるようになり、本質的にそれ自身の過去に関する無関係な情報を隠してしまいます。このアイデアが将来の実験によって裏付けられる場合、プリスケーリングは時間の矢を弦に打ち込むことになるかもしれません.
この記事はに転載されました Wired.com .
