2 人の物理学者がコロラド州アスペンで嵐の夏の夜に一緒に働いていたとき、弦理論が「すべての理論」となるために必要なものを持っている可能性があることに気付いてから 30 年が経過しました。
「私たちはかなり近づいているに違いありません」とマイケル・グリーンはジョン・シュワルツに雷が鳴り響き、彼らが理論の内部一貫性の証明を叩きのめしたとき、「神々が私たちがこの計算を完了するのを妨げようとしているからです.」>
その夜の彼らの数学は、重力と量子力学の一見相容れない力を含む、自然界のすべての現象が、エネルギーの小さな振動ループ、つまり「ストリング」の調和から生じる可能性があることを示唆していました。この研究はひも理論の革命を引き起こし、究極の自然理論の扉を叩いていると信じる世代の専門家を生み出しました。しかし、今日はまだ答えがありません。素粒子の中心で震えていると言われているひもは小さすぎて検出できないため、おそらくこれまでに検出できなかったため、この理論を実験的に確認することはできません。また、反証することもできません。観測された宇宙のほとんどすべての特徴は、弦楽器の果てしない曲のレパートリーと一致しています。
グリーンとシュワルツの論文が出版されたのは「今月で 30 年前」です。 1 月に、「検討の機が熟す:ひも理論は現実の深い法則を明らかにするか?それとも、何人かの批判者が主張しているように、物理学者の世代を脇道に追いやったのは数学的蜃気楼なのだろうか?」グリーンは答えがなく、ひも理論が生前に「データに直面する」ことに疑問を呈した。
しかし最近、一部のひも理論家は、いつかこれらの質問に答える希望を与える新しい戦術を開発し始めました.従来のテストが欠けているため、彼らは別のルートで弦理論の検証を求めています。重力の法則と量子力学の法則との間を翻訳する奇妙な数学的辞書を使用して、研究者は「一貫性条件」と呼ばれる特性を特定しました。これは、量子力学と重力を組み合わせた理論が満たさなければならないというものです。そして、特定の非常に単純化された架空の世界では、「量子重力」の唯一の一貫した理論がひもに関係しているという証拠を発見したと主張しています.
多くの研究者によると、この研究は、銀河、星、惑星のスケールで重力の既知の形を再現できる数学的に一貫した量子重力理論は弦理論だけかもしれないという何十年も前からの疑惑を、弱いながらも具体的にサポートしています。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論。そして、ひも理論が唯一の可能なアプローチである場合、その支持者は、物理的証拠の有無にかかわらず、それは真実でなければならないと言います.このアカウントによると、ひも理論は「町で唯一のゲーム」です。
コーネル大学の理論物理学者であるトム・ハートマンは、最近の研究を追っているコーネル大学の理論物理学者であるトム・ハートマンは、次のように述べています。
もし成功すれば、そのような証明はひも理論が正しいという論争の的となる証拠と見なされることを研究者たちは認めている。 「『正しい』という言葉は、言葉に込められた言葉です」と、イギリスのダラム大学の教授であり、物理プレプリント サイト arXiv.org に最近投稿された論文の共著者であるムクンド ランガマニ氏は、次のように述べています。架空の宇宙のクラス。
これまでのところ、理論家は弦理論が私たちの宇宙とは大きく異なる「町」で特定の条件を満たす唯一の「ゲーム」であることを示してきましたが、理論家は彼らの技術がより現実的な物理世界に一般化されると楽観的です.モントリオールのマギル大学の物理学教授であり、別の最近の論文の共著者であるアレックス・マロニーは、次のように述べています。推測、「最終的にはより大きな全体像が明らかになるでしょう。」
一方、外部の専門家は、これまでの調査結果に基づいて結論を急ぐことに対して警告しています。 「これらの論文が興味深い試みであることは明らかです。 「しかし、これらは本当の証拠ではありません。これらは引数です。それらは計算ですが、特定の場所にイタチの言葉があります。」
ひも理論のライバルである「ループ量子重力」と呼ばれる弱者のアプローチの支持者は、この研究が現実世界について私たちに教えてくれることはほとんどないと考えています。フランスのマルセイユにある理論物理学センターのループ量子重力研究者であるカルロ・ロヴェッリ氏は、「彼らは自分たちの理論の問題を解決しようとするべきです」と述べています。 「町で唯一のゲーム」
ミステリー理論
過去 1 世紀にわたって、物理学者は、自然の 4 つの力 (強い力、弱い力、電磁力) のうち 3 つを、素粒子の形でその起源をたどってきました。重力だけが大きく残ります。アルバート アインシュタインは、彼の一般相対性理論の中で、重力を空間と時間の滑らかな曲線として描いています。時空構造が惑星の重さでゆがむため、リンゴが地球に向かって落ちます。この写真は、巨視的なスケールで重力を完全に捉えています。
しかし、十分に小さな増分で、空間と時間の意味が失われ、量子力学の法則 (粒子には「位置」などの明確な特性がなく、確率のみ) が優先されます。物理学者は、場の量子論と呼ばれる数学的枠組みを使用して、粒子間の確率論的相互作用を記述します。重力の量子論は、重力の起源を「グラビトン」と呼ばれる粒子で説明し、それらの挙動がどのようにスケールアップして一般相対性理論の時空曲線を生成するかを明らかにします。しかし、このように自然の法則を統一することは非常に困難であることが証明されています.
弦理論は、クォークと呼ばれる素粒子が孤立して存在することがなく、結合して陽子、中性子、およびその他の複合「ハドロン」を形成する理由の可能な説明として、1960 年代に最初に登場しました。この理論では、クォークは自由に浮遊する点ではなく、弦の端を形成するため、引き離すことができないと考えられていました。しかし、この議論には欠点がありました。一部のハドロンはクォークと反クォークのペアで構成され、ひもによく似ていますが、陽子と中性子にはそれぞれ 3 つのクォークが含まれており、3 つの端を持つひもという醜く不確かなイメージを呼び起こします。すぐに、クォークの別の理論が現れました。しかしアイデアはなかなか消えず、ロンドン大学のグリーンやカリフォルニア工科大学のシュワルツなどの研究者たちは弦理論の開発を続けました。
問題はすぐに山積みになりました。弦の振動が物理的に意味をなすためには、理論は、日常の経験の長さ、幅、深さよりもはるかに多くの空間次元を必要とし、弦理論家に、現実の構造のすべての点で 6 つの余分な次元が結ばれている必要があると仮定することを余儀なくされています。 、カーペットのパイルのように。そして、余分な次元を結び付ける無数の方法のそれぞれが異なる巨視的パターンに対応しているため、私たちの宇宙について行われたほとんどすべての発見は、ひも理論と互換性があるように見え、その予測力を損なう可能性があります.さらに、1984 年当時、弦理論のすべての既知のバージョンには、「アノマリー」として知られる無意味な数学用語が含まれていました。
プラス面として、研究者たちは、ストリングの特定の振動モードが重力子のプロファイルに適合することを認識しました。そして 1984 年のアスペンでの嵐の夜、グリーンとシュワルツは、グラビトンが方程式の項に寄与していることを発見しました。この項は、ひも理論の特定のバージョンでは、問題のある異常を正確に相殺します。この発見は、このバージョンが量子重力の数学的に一貫した唯一の真の理論である可能性を高め、「最初のスーパーストリング革命」として知られる活動の急増の先駆けとなった.
しかし、ひも理論の別のバージョンも異常がないことが証明されるまでに、わずか 1 年しかかかりませんでした。 10 年間の終わりまでに、全部で 5 つの一貫した弦理論が発見されました。粒子を閉じたひもと考える人もいれば、端がぶら下がっている開いたひもだと説明する人もいれば、ひもの概念を「Dブレーン」として知られる高次元のオブジェクトに一般化する人もいます。 5 弦理論は富の恥のように思えました。
次の大きな突破口となったのは 1995 年で、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所のエドワード ウィッテンが有名な講演で、5 つの弦理論はすべて数学的に関連しており、すべてを包括する同じマスター理論の一部であるに違いないと主張しました。ウィッテンはこれを M 理論と名付けました。 M 元々は膜を指していたようですが、Witten は M の本当の意味をほのめかしています。 理論のより良い理解を待っており、それは既知の部分の合計を超えているようです.カリフォルニア大学デービス校の量子重力専門家であるスティーブ・カーリップは、「『ミステリー』の略だというジョークが飛び交っていました。なんでもM の略で、ひも理論のすべての顕現のこの母は、統一の夢を復元しました。
「人々は何十年もかけてさまざまな種類のひも理論を研究してきましたが、一貫したものはわずかしかなく、それらは同じものであることがわかりました」と Strassler 氏は言います。 「それが存在できる唯一のものだと言えるかもしれません。おそらく、量子重力理論は 1 つしかなく、M 理論がそれです。」
フィッシュアイ ユニバース
Witten による M 理論の提案から 2 年後、アルゼンチン系アメリカ人の物理学者 Juan Maldacena はさらに別の驚くべき関係を発見しました。今回はひもと点粒子の間にありました。 Maldacena の研究は、特定の条件下では、ひも理論であろうとなかろうと、重力を含む理論は、重力を持たない場の量子論に直接変換できることを示唆しています。
理論の最も単純な表現では、「特定の条件」には、アンチ デ シッター (AdS) 空間として知られる架空の風景が必要です。この空間は、魚眼レンズを通して見た方眼紙に似ており、正方形が境界に向かってどんどん小さくなっています。 AdS空間で重力がどのように機能するかを説明する理論は、その宇宙の境界上の点粒子を表す同等の「等角場理論」（CFT）に変換できます。この接続により、研究者は対応する CFT を調べて量子重力を研究することができます。たとえば、彼らは CFT をいじって、「AdS3」空間 (2 つの空間次元と時間を持つ魚眼宇宙) における量子重力理論の特性を計算することができます。 「AdS3 で量子重力を見つけるという目標は、適切な共形場の理論を見つけることに変換できます」と Rangamani 氏は述べています。
12 月に互いに数日以内に投稿された最新の 2 つの論文では、Rangamani と Maloney が率いる別々のグループが、単純な AdS3 ユニバースのクラスの基本的なオブジェクト (文字列であるかどうかにかかわらず) の研究に着手しました。彼らは、これらの宇宙が非常に熱くなると、その中の物体が可能な「状態」の数を指数関数的に増加させることを発見しました。
この動作は、文字列がこれらのユニバースの基本オブジェクトである場合に期待されるものとまったく同じです。より熱い宇宙では、弦が振動し、新しい方法で整列することが可能になるため、熱くて弦の多い宇宙には多くの状態があります.対照的に、点粒子は、高温でははるかに変化が少なくなります。ラトガース大学の物理学博士研究員であり、マロニーとアレックス ベリンと共に 1 つの論文の共著者であるクリストフ ケラーは、次のように述べています。 「原理的には、ひも理論以外にも多くの状態を持つ別の理論があると考えられます。そのような例は知りません。」
高温での状態のこのオーケストラは、AdS3 におけるひもまたは「ひものような」量子重力理論の普遍性の根拠を強化すると主張する人もいます。 「弦理論がこれらの一貫性条件から得られる唯一のものであるとまで言う人は誰もいませんが、それが弦のようなものであるという証拠があります」とハートマンは言いました.
Strassler によれば、著者らの主張における「イタチの言葉」は、彼らがより複雑なケースのいくつかで正確な状態密度を計算しなかったという事実を回避し、構成された宇宙の予想よりも数が多かったことを示しただけであるということです。ポイント粒子の。 「そして、ぎっしり詰まった状態密度を見つけただけで、そこに証拠があるかどうかはわかりません」と Strassler 氏は語った。 「これは 1 つのプロパティにすぎません。」
一方、ループ量子重力研究者は、AdS3 に関する結果が私たち自身の宇宙における量子重力の性質について何らかのヒントを与えるというまさにその前提に反対しています。彼らは、AdS/CFT 対応自体は証明されていないことを指摘しています — それは単なる推測です (ただし、広く支持されているものです)。さらに重要なことに、AdS 空間は平面空間とは大きく異なり、2 つの空間次元を持つ宇宙は 3 つの宇宙よりもはるかに単純です。 「世界は 2+1 次元ではありません」と、オンタリオ州ウォータールーにあるペリメーター研究所の創設者兼上級教員であり、ループ量子重力の創設者の 1 人である Lee Smolin 氏は述べています。 「そしてその場合でさえ、ひも理論とは何の関係もない完全に完成された量子重力の定式化の形で、ひも普遍性予想に対する反例が長い間存在していました。」 (ひも理論家は、これらの特定の 2+1 重力理論は、現実世界の量子重力とは重要な点で異なると主張しています。)
しかし研究者たちは、AdS4 の量子重力にも AdS/CFT 対応を適用しました。これは魚眼宇宙ですが、私たちの宇宙と同じ数の次元を持っています。 2011 年、現在高等研究所の教授である Maldacena と当時の彼の学生である Alexander Zhiboedov は、ひも理論が一般相対性理論を大規模に再現する特定の機能を備えた唯一の量子重力理論であるという証拠を発見しました。研究者たちは 2014 年の論文でさらに進んで、任意の数の次元と時空幾何学において、特定のひも状の特性を持つ理論のみが因果関係、または先行する結果を引き起こすという概念を満たすと主張しました。 「これは、弦理論が町で唯一のゲームであるという仮説に基づいて期待されることです」と、現在ハーバード大学のポスドク研究者である Zhiboedov は述べています。
今日までの結果は、少なくとも状況的には、「弦のような」理論の存在を支持しているようです。ひも理論家によると、ひも状の理論はひも理論である可能性がやや高いようです。ひものように振動するが、1 つではない物体を想像するのは難しいからです。しかし、とにかく、ひも理論とは何を指すのでしょうか? M理論とは？批評家は、M 理論を使用して、量子重力について尋ねることができるすべての質問に答える方法、またはすべての状況で自然がどのように機能するかを示す方法を誰も知らないと指摘しています。文字列理論家は、その背後にあるものを正確に理解することなく、正しいドアを叩いていると確信するかもしれません.
これまでのところ、彼らは計算のために特別で数学的に扱いやすいテストの根拠を選択してきました。 「それは何も悪いことではありません」と、自分自身を「整列していない」量子重力の専門家と考えているカーリップは言いました。実験物理学では、「できない実験ではなく、できる実験を行います。」問題は、「結果が量子重力の一般的な特性である範囲と、これらの特定の単純化の結果である範囲」です。
ひも理論家は、架空の世界のより一般的なクラスに AdS/CFT ツールを適用すると、ひも状の結果が現れ続けると予想しているようです。マロニーによれば、AdS 空間におけるすべての量子重力理論がひもの理論であるという完全な証拠は、同じことが真であるという「非常に強力な証拠」となるでしょう。私たちのような幾何学的に平らな宇宙で.
ただし、フラット ユニバースでの証明には、まったく新しいツールが必要です。私たちの宇宙には、AdS 空間のような空間境界はありません。その境界は未来の終わりにあります。私たちの宇宙のジオメトリのための AdS/CFT のようなツールの開発は、まだ始まったばかりです。文字列の普遍性の完全な証明、または反証への道のりは長いです。現在、ジボエドフ氏は、「これは信念であり、夢であり、期待です。この分野での仕事に基づいた感覚です。」
訂正:この記事は 2015 年 2 月 21 日に改訂され、Lee Smolin のタイトルが訂正されました。彼は、オンタリオ州ウォータールーにある Perimeter Institute の創設者であり、上級教員でもあります。
注:この記事は 2015 年 3 月 1 日に更新され、2+1 量子重力理論に関する追加のコンテキストを提供しました。
