物理学者は、自然の 4 つの力のうち 3 つ (電磁気力と強い核力と弱い核力) の起源を量子粒子に突き止めました。しかし、第 4 の基本的な力である重力は異なります。
重力を理解するための現在のフレームワークは、1 世紀前にアルバート アインシュタインによって考案されたもので、リンゴは木から落ち、惑星は時空の連続体の曲線に沿って移動するため、星の周りを回っていることがわかります。これらの曲線は重力です。アインシュタインによれば、重力は時空媒体の特徴です。他の自然の力がそのステージで発揮されます。
しかし、ブラック ホールの中心近くや宇宙の最初の瞬間に、アインシュタインの方程式は破綻します。物理学者は、これらの極端な現象を正確に説明するために、より正確な重力像を必要としています。このより真実の理論は、アインシュタインの方程式が他の場所で行うのと同じ予測を行うに違いありません。
物理学者は、このより真実の理論では、重力は自然の他の力と同様に量子の形をとらなければならないと考えています。研究者たちは、1930 年代から重力の量子論を探し求めてきました。彼らは候補となるアイデアを見つけました — 特に、重力や他のすべての現象は極小の振動する弦から生じると主張する弦理論 — しかし、これまでのところ、これらの可能性は推測にとどまり、完全には理解されていません。実用的な重力の量子論は、おそらく今日の物理学における最も高い目標です。
重力を唯一無二にするものは何ですか？研究者がその根底にある量子記述を見つけるのを妨げている第 4 の力の違いは何ですか? 4 人の異なる量子重力研究者に尋ねました。 4 つの異なる答えが得られました。
重力が特異点を生む
クラウディア デ ラム インペリアル カレッジ ロンドンの理論物理学者である は、量子化された重力の単位が巨大な粒子であると仮定する巨大重力の理論に取り組んできました:
アインシュタインの一般相対性理論は、サブミリ スケールから宇宙距離まで、30 桁近くにわたる重力の挙動を正しく説明しています。これほど正確に、これほど多様な尺度で記述された自然の力は他にありません。実験と観測とのこのようなレベルの非の打ちどころのない一致により、一般相対性理論は重力の究極の説明を提供するように見えるかもしれません.しかし、一般相対性理論は、自身の崩壊を予測するという点で注目に値します。
一般相対性理論は、宇宙の起源におけるブラック ホールとビッグバンの予測をもたらします。しかし、これらの場所の「特異点」、時空が無限に曲がるように見える不思議な点は、一般相対性理論の崩壊を知らせるフラグとして機能します。ブラック ホールの中心にある特異点、またはビッグバンの特異点に近づくと、一般相対性理論から推測される予測は正しい答えを提供しなくなります。空間と時間のより基本的で根底にある記述が引き継がれるべきです。この新しい物理学の層が明らかになれば、空間と時間自体の新しい理解を達成できるかもしれません.
重力が他の自然の力である場合、これまで以上に大きなエネルギーとより短い距離に到達できる工学的実験によって、重力をより深く調査することが期待できます.しかし、重力は普通の力ではありません。ある時点を過ぎてその秘密を明らかにしようとすると、実験装置自体がブラック ホールに崩壊します。
重力がブラック ホールにつながる
ダニエル・ハーロウ マサチューセッツ工科大学の量子重力理論家 は、重力とブラック ホールの研究に量子情報理論を適用したことで知られています。
ブラック ホールは、重力と量子力学を組み合わせるのが難しい理由です。あらゆる種類の物質が感じる力は重力だけであるため、ブラック ホールは重力の結果でしかありません。重力を感じない粒子があれば、その粒子を使ってブラック ホールの内部からメッセージを送ることができるので、実際には黒ではありません。
すべての物質が重力を感じるという事実は、可能な実験の種類に制約をもたらします。どのような装置を構築するにせよ、それがどのようなものでできていようと、重すぎてはいけません。そうしないと、必然的に重力でブラック ホールに崩壊します。この制約は日常の状況では関係ありませんが、重力の量子力学的特性を測定する実験を構築しようとする場合は不可欠になります。
自然界の他の力に対する私たちの理解は、局所性の原則に基づいています。つまり、空間の各点で何が起こっているかを表す変数 (電界の強さなど) は、すべて独立して変化する可能性があるということです。さらに、「自由度」と呼ばれるこれらの変数は、すぐ隣の変数にのみ直接影響を与えることができます。局所性は、因果関係を保存するため、粒子とその相互作用を現在説明する方法にとって重要です。ここマサチューセッツ州ケンブリッジの自由度がサンフランシスコの自由度に依存している場合、この依存性を使用して達成できる可能性があります。 2 つの都市間の瞬時の通信や、情報を過去にさかのぼって送信することさえあり、因果関係が破られる可能性があります。
局所性の仮説は、通常の設定で非常によくテストされており、量子重力に関連する非常に短い距離にまで及ぶと仮定するのが自然に思えるかもしれません (重力は他の力よりもはるかに弱いため、これらの距離は小さいです)。 .これらの距離スケールで局所性が持続することを確認するには、このような小さな距離で区切られた自由度の独立性をテストできる装置を構築する必要があります。しかし、単純な計算では、実験を台無しにする大きな量子ゆらぎを回避するのに十分な重さの装置は、必然的にブラック ホールに崩壊するのに十分な重さになることを示しています。したがって、この規模での局所性を確認する実験は不可能です。したがって、量子重力は、そのような長さスケールでの局所性を尊重する必要はありません.
実際、これまでのブラックホールの理解は、量子重力の理論は、他の力での経験に基づいて予想されるよりも大幅に少ない自由度を持つべきであることを示唆しています.この考えは、大まかに言えば、空間領域の自由度の数は、その体積ではなく表面積に比例するという「ホログラフィック原理」で体系化されています。
重力は無から有を生み出す
フアン・マルダセナ ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の量子重力理論家 は、重力と量子力学の間のホログラムのような関係を発見したことで最もよく知られています。
粒子は、多くの興味深い驚くべき現象を示すことができます。自発的な粒子の生成、遠く離れた粒子の状態間の絡み合い、および複数の場所に存在する粒子の重ね合わせを行うことができます。
量子重力では、時空自体が新しい方法で動作します。粒子の作成の代わりに、宇宙の作成があります。エンタングルメントは、時空の離れた領域間の接続を作成すると考えられています。異なる時空間ジオメトリを持つ宇宙の重ね合わせがあります。
さらに、素粒子物理学の観点から、空間の真空は複雑なオブジェクトです。フィールドと呼ばれる多くのエンティティが重なり合って空間全体に広がっている様子を想像できます。各フィールドの値は、近距離で常に変動しています。これらの変動フィールドとその相互作用から、真空状態が出現します。粒子はこの真空状態の乱れです。真空の構造の小さな欠陥としてそれらを描くことができます.
重力を考えると、宇宙の膨張により、何もないところからこの真空の物質がさらに生成されているように見えることがわかります。時空が作られるとき、たまたま欠陥のない真空に相当する状態にあるだけです。真空が正確に正しい配置でどのように現れるかは、ブラック ホールと宇宙論の一貫した量子記述を得るために答えなければならない主な問題の 1 つです。どちらの場合も、一種の時空の引き延ばしがあり、その結果、より多くの真空物質が作成されます.
重力は計算できません
セラ クレモニーニ リーハイ大学の理論物理学者 は、弦理論、量子重力、宇宙論に取り組んでいます:
重力が特別である理由はたくさんあります。アインシュタインの一般相対性理論の量子バージョンは「非繰り込み可能」であるという考えです。これは、高エネルギーでの重力の挙動に影響を与えます。
量子論では、非常にエネルギーの高い粒子が互いに散乱して相互作用する方法を計算しようとすると、無限項が現れます。くりこみ可能な理論 (重力以外のすべての自然の力を説明する理論を含む) では、これらの無限を効果的に相殺する他の量 (いわゆる反項) を適切に追加することにより、厳密な方法でこれらの無限を取り除くことができます。このくりこみプロセスは、非常に高い精度で実験と一致する物理的に理にかなった答えにつながります。
一般相対性理論の量子バージョンの問題は、非常にエネルギーの高いグラビトン (重力の量子化された単位) の相互作用を記述する計算には、無限の項が無限にあることです。終わりのないプロセスで無限に多くの反論を追加する必要があります。繰り込みは失敗します。このため、アインシュタインの一般相対性理論の量子バージョンは、非常に高いエネルギーでの重力の適切な説明ではありません。重力の重要な機能と要素のいくつかが欠けているに違いありません.
しかし、自然界の他の相互作用で機能する標準的な量子技術を使用して、より低いエネルギーで重力を完全に適切に近似的に説明することができます。重要な点は、この重力のおおよその説明は、あるエネルギー スケールで、または同等に、ある長さ以下で崩壊するということです。
このエネルギー スケールを超えるか、関連する長さスケールを下回ると、新しい自由度と新しい対称性が見つかることが期待されます。これらの特徴を正確に捉えるには、新しい理論的枠組みが必要です。これはまさにひも理論または何らかの適切な一般化の出番です。ひも理論によれば、非常に短い距離では、重力子やその他の粒子はひもと呼ばれる拡張オブジェクトであることがわかります。この可能性を研究することで、重力の量子挙動に関する貴重な教訓を得ることができます。
