自然は不自然ですか？|物理

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4 月下旬のどんよりした午後、物理学の教授と学生がコロンビア大学の木製パネルの講堂に押し寄せ、近くのニュージャージー州プリンストンにある高等研究所から訪れた著名な理論家であるニマアルカニハメド氏の講演を聞きました。肩までの長さの黒い髪を耳の後ろに押し込みながら、Arkani-Hamed は、ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器での最近の実験結果の、一見矛盾するように見える 2 つの意味合いを説明しました。

「宇宙は不可避だ」と彼は宣言した。「宇宙は不可能です。」

2012 年 7 月にヒッグス粒子が発見されたことで、素粒子がどのようにして質量を獲得し、銀河や人間などの大きな構造を形成できるかについての 50 年近く前の理論が確認されました。「我々が予想していた場所で多かれ少なかれそれが見られたという事実は、実験の勝利であり、理論の勝利であり、物理学が機能することを示しています」と Arkani-Hamed は聴衆に語った.

しかし、ヒッグス粒子が持つと決定された質量 (または同等のエネルギー) で意味をなすために、LHC は他の粒子の群れも見つける必要がありました。何も起きませんでした。

たった 1 つの粒子が発見されたことで、LHC 実験は、何十年にもわたって醸造されてきた物理学の深刻な問題を深化させました。現代の方程式は、息をのむような正確さで現実を捉えているようで、自然の多くの定数の値とヒッグスのような粒子の存在を正確に予測しています。しかし、ヒッグス粒子の質量を含むいくつかの定数は、宇宙が不可解な微調整とキャンセルによって形成されていない限り、生命の可能性を排除する方法で、これらの信頼できる法則が示すものとは指数関数的に異なっています.

危険にさらされているのは「自然性」の概念であり、自然の法則は崇高に美しく、必然的で自己完結型であるというアルバート・アインシュタインの夢です。それがなければ、物理学者は、これらの法則が、空間と時間の構造におけるランダムな変動の恣意的で厄介な結果にすぎないという厳しい見通しに直面します.

LHC は 2015 年に陽子の衝突を再開し、答えを探す土壇場の探索を行います。しかし、論文、講演、インタビューで、アルカニ・ハメドや他の多くのトップ物理学者は、宇宙が不自然である可能性にすでに直面しています. (ただし、それを証明するために何が必要かについては、大きな意見の相違があります。)

アインシュタインが 1933 年から 1955 年に亡くなるまで教えていた同研究所の理論物理学者であるネイサン・セイバーグは、次のように述べています。私たちが考えていないことがまだあることを願っています。これらすべてを説明する他のメカニズムです。しかし、それが何であるかはわかりません。」

物理学者は、宇宙が不自然であり、生命を可能にする根本的な定数が非常にありそうにない場合、私たちのありそうもないケースが実現するには、膨大な数の宇宙が存在しなければならないと考えています。そうでなければ、なぜ私たちはそれほど幸運である必要があるのでしょうか?不自然さは、私たちの宇宙が無限でアクセスできない泡の中の 1 つの泡であるという多元宇宙仮説に大きな影響を与えるでしょう。ひも理論と呼ばれる一般的ではあるが二極化するフレームワークによると、多元宇宙でバブルアップする可能性のある宇宙の種類の数は約 10 です。そのうちのいくつかでは、偶然のキャンセルにより、私たちが観察する奇妙な定数が生成されます。

このような図では、この宇宙のすべてが避けられないわけではなく、予測不可能になっています。研究所のひも理論家であるエドワード・ウィッテンは、電子メールで次のように述べています。しかし、宇宙が創造されたとき、私たちの誰も相談を受けませんでした。」

カリフォルニア大学バークレー校の物理学者で、多元宇宙シナリオの開発に貢献した Raphael Bousso 氏は、次のように述べています。「しかし、私はそれを感情的に分析できるとは思いません。 LHC に自然さが欠けている中でますます好まれるのは、論理的な可能性です。」

LHC が次の実行で発見するものと発見しないものは、次の 2 つの可能性のうちの 1 つをサポートする可能性があります。「LHC のおかげで、私たちは今日から 5 年か 10 年後にはずっと賢くなっているでしょう」と Seiberg 氏は述べています。「それはエキサイティングです。これは手の届くところにあります。」

宇宙の偶然

アインシュタインはかつて、科学者にとって「宗教的感情は自然法則の調和に対する熱狂的な驚きの形をとっており」、「この感情は彼の人生と仕事の指針となっている」と書いています。実際、20 世紀を通して、自然の法則は調和的であるという根深い信念、つまり「自然性」への信念が、真実を発見するための信頼できるガイドであることが証明されてきました。

「自然さには実績があります」と Arkani-Hamed はインタビューで述べました。実際には、物理定数 (粒子の質量や宇宙のその他の固定された特性) が、ありそうもない相殺からではなく、物理法則から直接現れることが要件です。何度も何度も、定数が微調整されているように見えるときはいつでも、その初期値が他の効果を相殺するために魔法のようにダイヤルされたかのように、物理学者は何かが欠けているのではないかと疑っていました.彼らは、微調整されたキャンセルを回避して、実質的に定数をダイヤルする何らかの粒子または機能を探し、必然的に見つけます。

今回は、宇宙の自己治癒力が弱まっているようです。ヒッグス粒子の質量は 126 ギガ電子ボルトですが、他の既知の粒子との相互作用により、約 10,000,000,000,000,000,000 を追加する必要がありますその質量にギガ電子ボルト。これは、ヒッグスの「裸の質量」、または他の粒子が影響を与える前の開始値がたまたまその天文学的な数の負であることを意味し、ヒッグスのヒントを残すだけでほぼ完全な相殺が行われます:126 ギガ-電子ボルト.

物理学者は、既知の粒子がヒッグス質量を押し上げたのとまったく同じように、ヒッグス質量を押し下げる超対称性と呼ばれる理論によって仮定された新しい粒子を探して、3 世代の粒子加速器を経験してきました。しかし、これまでのところ、彼らは手ぶらでやってきました。

アップグレードされた LHC は、次の実行でさらに高いエネルギースケールを探索しますが、新しい粒子が見つかったとしても、ほぼ確実に重すぎて、ヒッグス質量に適切な方法で影響を与えることができません。ヒッグス粒子は、それでも少なくとも 10 倍または 100 倍は軽すぎるように見えます。物理学者は、これが自然な独立した宇宙で受け入れられるかどうかについて意見が分かれています。ハーバード大学の教授であるリサ・ランドールは、「少し微調整しました。たまたまそうなっただけかもしれません。しかし、Arkani-Hamed の意見では、「少し調整することは、少し妊娠しているようなものです。存在しないだけです。」

新しい粒子が現れず、ヒッグスが天文学的に微調整されたままである場合、多元宇宙仮説は脚光を浴びることになります。「それが正しいという意味ではありません」と多元宇宙像の長年の支持者である Bousso は言いました。

数人の物理学者 — 特に、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の Joe Lykken と、ピサ大学の Alessandro Strumia イタリア — 3 番目のオプションを参照してください。彼らは、物理学者がヒッグス質量に対する他の粒子の影響を誤って測定している可能性があり、別の方法で計算すると、その質量は自然に見えると言います。この「変更された自然性」は、暗黒物質の未知の構成要素などの追加の粒子が計算に含まれると衰退しますが、同じ非正統的な経路が他のアイデアを生み出す可能性があります. 「主張したいわけではありませんが、結果について議論したいだけです」とストルミアは、今月初めにブルックヘブン国立研究所で行われた講演で述べました.

しかし、変更された自然性は、物理学に存在するさらに大きな自然性の問題を解決することはできません。それは、宇宙がビッグバンの直後にそれ自体のエネルギーによって即座に消滅しなかったという事実です.

暗いジレンマ

宇宙の真空に組み込まれたエネルギー (真空エネルギー、暗黒エネルギー、または宇宙定数として知られている) は、自己破壊的ではあるものの、その自然であると計算されたものよりも不可解な兆兆の 1 兆分の 1 です。価値。この巨大な格差を自然に解決できる理論はありません。しかし、宇宙が急速に爆発したり、ある程度まで崩壊したりするのを防ぐために、宇宙定数を非常に微調整する必要があることは明らかです。人生にチャンスを与えるためには微調整が必要です.

このばかげた幸運を説明するために、多元宇宙のアイデアは、過去数十年にわたって宇宙論界の主流になりつつあります. 1987 年に、ノーベル賞を受賞した物理学者で、現在はテキサス大学オースティン校の教授であるスティーブンワインバーグが、私たちの宇宙の宇宙定数は多元宇宙のシナリオで予想されると計算したときに、信頼性が高まりました。生命を維持できる可能性のある宇宙の中で、最初に観察して熟考できる唯一の宇宙である私たちの宇宙は、最も微調整されていません。タフツ大学の宇宙学者で多元宇宙論者であるアレクサンダー・ビレンキンは、「宇宙定数が観測値よりもはるかに大きい場合、たとえば10倍である場合、銀河は存在しません。「そのような宇宙に生命がどのように存在するか想像するのは難しい.」

ほとんどの素粒子物理学者は、宇宙定数の問題に対するより検証可能な説明が見つかることを望んでいました。誰も持っていません。現在、物理学者は、ヒッグスの不自然さが宇宙定数の不自然さをより重要なものにしていると言います。 Arkani-Hamed は、この問題が関連している可能性さえあると考えています。「私たちは、私たちの宇宙に関する基本的な異常な事実を理解していません」と彼は言いました. 「それは大きく、その中に大きなものが入っています。」

多元宇宙は単なる以上のものになりました 2000 年、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学の教授である Bousso と Joe Polchinski が、パラレルユニバースのパノラマを生み出すメカニズムを発見したとき、手を振って議論しました。ひも理論は、粒子を目に見えない小さな振動線とみなす仮説的な「すべての理論」であり、時空は 10 次元であると仮定しています。人間のスケールでは、空間の 3 つの次元と時間の 1 つの次元だけを経験しますが、ひも理論家は、4 次元現実の構造のあらゆる点で 6 つの余分な次元が緊密に結びついていると主張しています。ブッソとポルチンスキーが計算これらの 6 つの次元を結び付けるには約 10 の異なる方法があり (すべてさまざまな量のエネルギーを結び付けます)、想像を絶するほど広大で多様な宇宙の配列を可能にします。つまり、自然さは必要ありません。避けられない完全な宇宙は 1 つではありません。

「それは間違いなく私にとって衝撃的な瞬間でした」とブッソは言いました。しかし、この論文は怒りを引き起こしました。

「素粒子物理学者、特にひも理論家は、自然のすべての定数を一意に予測するというこの夢を持っていました」とブッソは説明しました。「すべては、数学と円周率と 2 から出てきます。そして、私たちは入ってきて、「見てください、それは起こらないでしょう、そしてそれが起こらない理由があります.私たちはこれについて完全に間違った方法で考えています。」

多元宇宙での生活

ブッソ・ポルチンスキーの多元宇宙シナリオにおけるビッグバンは変動です。現実の織物の 1 つのステッチを構成するコンパクトな 6 次元の結び目が突然形を変え、空間と時間の泡を形成するエネルギーを放出します。この新しい宇宙の特性偶然に決定されます：変動中に解き放たれるエネルギーの量。このように爆発して誕生する宇宙の大部分は、真空エネルギーで厚くなります。それらは非常に急速に拡大または崩壊するため、生命が発生することはありません。しかし、ありそうもない相殺が宇宙定数に小さな値をもたらすいくつかの非定型宇宙は、私たちの宇宙によく似ています.

先月、物理プレプリントのウェブサイト arXiv.org に投稿された論文の中で、Bousso とバークレーの同僚であるローレンスホールは、ヒッグス質量は多元宇宙のシナリオでも意味があると主張しています。彼らは、生命を維持するのに十分な可視物質 (暗黒物質と比較して) を含むバブル宇宙は、ほとんどの場合、LHC のエネルギー範囲を超える超対称粒子と、微調整されたヒッグス粒子を有することを発見しました。同様に、他の物理学者は 1997 年に、ヒッグス粒子がそれよりも 5 倍重い場合、これが水素以外の原子の形成を抑制し、さらに別の方法で生命のない宇宙になることを示しました。

これらの一見成功した説明にもかかわらず、多くの物理学者は、マルチバースの世界観を採用することによって得られるものはほとんどないことを心配しています.パラレルユニバースはテストできません。さらに悪いことに、不自然な宇宙は理解を妨げます。「自然さがなければ、私たちは新しい物理学を探す動機を失います」と、高等研究所の物理学者である Kfir Blum は述べています。「私たちはそれがそこにあることを知っていますが、なぜそれを見つけなければならないかについての確固たる議論はありません。」その感情は何度も繰り返されます。「私は宇宙が自然であることを望みます」とランドールは言いました.

しかし、理論は物理学者に発展する可能性があります。多元宇宙に順応するために 10 年以上を費やした後、Arkani-Hamed は現在、多元宇宙がもっともらしく、世界のあり方を理解するための実行可能なルートであると考えています。「私が知る限り、素晴らしい点は、基本的にLHCでの結果は、これらの分岐した経路の1つにさまざまな程度の力で私たちを導くことです」と彼は言いました. 「この種の選択は非常に大きな問題です。」

自然さが引き抜けます。または、多元宇宙の奇妙だが快適なポケットにある偽りの希望かもしれません.

Arkani-Hamed がコロンビアで聴衆に語ったように、「お楽しみに」