物理学者が量子力学と重力の理論が一致しないことに気付いてから 80 年が経過しましたが、この 2 つをどのように組み合わせるかというパズルは未解決のままです。過去数十年間、研究者はこの問題を 2 つの別々のプログラム (弦理論とループ量子重力) で追求してきました。しかし現在、一部の科学者は、力を合わせることこそが前に進む道だと主張しています。
量子論と重力を統一しようとする試みの中で、ひも理論が最も注目を集めています。その前提は単純です。すべては小さなひもでできているということです。弦はそれ自体で閉じているか、端が緩んでいる可能性があります。振動したり、伸びたり、結合したり、分割したりできます。そして、これらの多様な出現には、物質と時空の両方を含む、私たちが観察するすべての現象の説明があります.
対照的に、ループ量子重力は、時空自体の量子特性よりも、時空に存在する物質に関係していません。ループ量子重力 (LQG) では、時空はネットワークです。アインシュタインの重力理論の滑らかな背景は、量子特性が割り当てられるノードとリンクに置き換えられます。このようにして、スペースは個別のチャンクで構築されます。 LQG の大部分は、これらのチャンクの研究です。
このアプローチは、ひも理論と相容れないと長い間考えられてきました。実際、概念的な違いは明白であり、深遠です。まず、LQG は時空のビットを研究しますが、弦理論は時空内のオブジェクトの動作を調査します。特定の技術的問題がフィールドを分離します。ひも理論では、時空が 10 次元である必要があります。 LQG は高次元では機能しません。ひも理論は、すべての既知の粒子がまだ発見されていないパートナーを持つ超対称性の存在も示唆しています。超対称性は LQG の機能ではありません。
これらの違いやその他の違いにより、理論物理学のコミュニティは非常に多様な陣営に分かれています。ルイジアナ州立大学の物理学者で、LQG 教科書の共著者である Jorge Pullin 氏は、次のように述べています。 「おかしな人はおかしなカンファレンスに行く。ぎこちない人は、ぎこちない会議に出席します。彼らはもはや「物理学」の会議にさえ行きません。このように発展したのは残念だと思います。」
Quanta Magazine の Emily Fuhrman、Natalie Wolchover によるテキスト、Olena Shmahalo によるアート ディレクション。
しかし、多くの要因がキャンプをより接近させている可能性があります。新しい理論的発見により、LQG と弦理論の潜在的な類似点が明らかになりました。若い世代のひも理論家は、「すべての理論」を作成する方法を理解するために役立つ方法やツールを求めて、ひも理論の外に目を向け始めています。そして、ブラック ホールと情報の損失を含む、いまだ生のパラドックスが、すべての人に新たな謙虚さを与えています。
さらに、ひも理論または LQG の実験的証拠がない場合、この 2 つが実際には同じコインの反対側にあるという数学的証明は、物理学者がすべての正しい理論に向かって進んでいるという議論を強化するでしょう。 LQG と弦理論を組み合わせることで、本当に唯一のゲームになります。
予期しないリンク
LQG 自身の内部問題のいくつかを解決するための努力は、ストリング理論との最初の驚くべきリンクにつながりました。 LQG を研究している物理学者は、時空チャンクのネットワークからズームアウトして、アインシュタインの一般相対性理論 (重力に関する最高の理論) と一致する時空の大規模な記述に到達する方法を明確に理解していません。さらに心配なことに、彼らの理論は、重力を無視できる特殊なケースを調整することはできません。アインシュタインの特殊相対性理論では、オブザーバーがオブジェクトに対してどれだけ速く動いているかに応じて、オブジェクトが収縮するように見えます。この収縮は、時空のチャンクのサイズにも影響し、異なる速度を持つ観測者によって異なる方法で認識されます。この矛盾は、アインシュタインの理論の中心的な信条、つまり観測者の速度に関係なく物理法則は同じでなければならないという問題につながります。
「特殊相対性理論の問題に遭遇することなく離散構造を導入することは困難です」とPullin氏は述べています。ウルグアイのモンテビデオにある共和国大学の物理学者であり、頻繁に共同研究を行っているロドルフォ ガンビーニと共に 2014 年に書いた短い論文の中で、Pullin は、LQG を特殊相対性理論と互換性を持たせるには、弦理論に見られるものと同様の相互作用が必要であると主張しました。
1990 年代後半に、ニュージャージー州プリンストン高等研究所の物理学者であるフアン マルダセナによる重要な発見以来、2 つのアプローチに共通点があることはプーリンにとってありそうに思えました。シッター (AdS) 時空と場の理論 (CFT — 「C」は「共形」を表す) が時空の境界にある。この AdS/CFT 同定を使用することにより、重力理論は、よりよく理解された場の理論によって記述できます。
双対性の完全なバージョンは推測ですが、弦理論が役割を果たさないよく理解された極限の場合があります。この極限の場合では弦は問題にならないため、量子重力の理論によって共有されるべきです。 Pullin はこれを接点と見なしています。
ビデオ: このアーティストの構想では、ループ量子重力の時空の根底にあるネットワークが一連の色付きの面として示されています。ビデオは、可能な限り最小の領域であるプランク スケールでの時空間の動作を示しています。ズームアウトすると、量子の詳細が消え、時空が古典物理学の滑らかで連続的な幾何学に似てきます。
T. Thiemann/Albert Einstein Institute/Milde Marketing/Exozet
プリンストン大学の理論物理学者で、弦理論に頻繁に取り組んでいる Herman Verlinde は、LQG の手法が双対性の重力面を明らかにするのに役立つ可能性があると考えています。 Verlinde は最近の論文で、空間の 2 つの次元と時間の 1 つの次元、つまり物理学者が言うように「2+1」だけの単純化されたモデルで AdS/CFT を検討しました。彼は、LQG で使用されているようなネットワークで AdS 空間を記述できることを発見しました。構造は現在 2+1 でしか機能しませんが、重力について考える新しい方法を提供します。 Verlinde は、モデルをより高い次元に一般化することを望んでいます。 「ループ量子重力はあまりにも狭く見られてきました。私のアプローチは包括的であることです。はるかに知的に前向きです」と彼は言いました。
しかし、LQG 法と超弦理論を首尾よく組み合わせて反ド・ジッター空間を前進させたとしても、疑問は残ります。その組み合わせはどの程度役立つのでしょうか?アンチ・ド・シッター時空には、負の宇宙定数（宇宙の大規模な幾何学を表す数値）があります。私たちの宇宙にはポジティブなものがあります。私たちは、AdS スペースである数学的構造に住んでいません。
Verlinde は実用的です。 「1 つの考えは、[正の宇宙定数のために] まったく新しい理論が必要だということです」と彼は言いました。 「では、問題は、その理論がどのように異なるかということです。 AdS は現在、探している構造の最良のヒントであり、正の宇宙定数を得るにはひねりを見つける必要があります。」 「[AdS] は私たちの世界を説明するものではありませんが、どこへ行くべきかを導くいくつかの教訓を教えてくれます。」
ブラックホールに集まる
Verlinde と Pullin はどちらも、ひも理論とループ量子重力の共同体が一緒になるもう 1 つのチャンスを指摘しています。 2012 年、カリフォルニア大学サンタバーバラ校に拠点を置く 4 人の研究者が、一般的な理論の内部矛盾を強調しました。彼らは、情報を逃がすためにブラック ホールを必要とすることは、ブラック ホールの地平線の周りの空の空間の繊細な構造を破壊し、それによって非常にエネルギー的な障壁、つまりブラック ホールの「ファイアウォール」を作成すると主張しました。ただし、このファイアウォールは、観測者が地平線を越えたかどうかを判断できないという一般相対性理論の根底にある等価原理とは相容れません。非互換性は、ブラック ホールの情報を理解していると思っていたひも理論家を混乱させ、ノートブックを再検討する必要があります。
しかし、これはひも理論家だけの難問ではありません。 「ブラック ホール ファイアウォールに関するこの全体的な議論は、主に弦理論コミュニティ内で行われましたが、私には理解できません」と Verlinde 氏は述べています。 「量子情報、エンタングルメント、および [数学的] ヒルベルト空間を構築する方法に関するこれらの質問 – それはまさに、ループ量子重力に携わる人々が長い間取り組んできたことです。」
一方、ストリング コミュニティの多くが注目しなかった開発では、超対称性と余分な次元によってかつて課せられていた障壁も同様に低下しました。ドイツのエアランゲンにあるフリードリッヒ アレクサンダー大学の Thomas Thiemann を中心とするグループは、LQG を高次元に拡張し、超対称性を含めました。これらは以前は弦理論の領域でした。
最近では、Thiemann の元学生で、現在はワルシャワ大学にいる Norbert Bodendorfer が、LQG のループ量子化の方法を反 de Sitter 空間に適用しました。彼は、ひも理論家が重力計算の実行方法を知らない状況で、LQG が AdS/CFT 双対性に役立つ可能性があると主張しています。 Bodendorfer は、超弦理論と LQG の間のかつての溝が消えつつあると感じています。 「ひも理論家は LQG についてほとんど知らず、それについて話したがらないという印象を受けることがありました」と彼は言いました。 「しかし、ひも理論の若い人たちは、とてもオープンマインドです。彼らはインターフェースで何が起こっているのか非常に興味を持っています。」
「最大の違いは、質問を定義する方法にあります」と Verlinde 氏は言います。 「残念ながら、それは科学的というよりも社会学的です。」彼は、2 つのアプローチが矛盾しているとは考えていません。 LQG は方法であり、理論ではありません。量子力学や幾何学を考える方法です。これはひも理論家が使用でき、実際に使用している方法です。これらは互換性がないわけではありません。」
誰もがそう確信しているわけではありません。ブリティッシュ コロンビア大学の弦理論者である Moshe Rozali は、LQG に懐疑的なままです。「私が個人的に LQG に取り組んでいない理由は、特殊相対論の問題です」 「あなたのアプローチが最初から特殊相対性理論の対称性を尊重していない場合、基本的には、途中のステップの 1 つで奇跡が起こる必要があります。」それでも、LQG で開発された数学的ツールのいくつかは役に立つかもしれない、と Rozali 氏は言いました。 「ひも理論と LQG が中間点に収束する可能性はないと思います」と彼は言いました。 「しかし、方法は人々が通常気にするものであり、これらは十分に似ています。数学的方法は重複する可能性があります。」
LQG側の誰もが、この2つが合併すると予想しているわけではありません。マルセイユ大学の物理学者で LQG の創設者であるカルロ ロヴェッリは、彼の分野が優勢であると信じています。 「ひもの惑星は、10 年前に比べて、特に超対称粒子が現れなかったことに大きな失望を感じた後は、はるかに傲慢さがなくなっています」と彼は言いました。 「2 つの理論が共通の解決策の一部である可能性はありますが、私自身はありそうにないと思います。ひも理論は、80 年代に約束したことを実現できなかったように思われ、科学の歴史に点在する多くの「素晴らしいアイデアだが自然はそうではない」の 1 つです。どうすれば人々がまだそれに希望を持てるのか、私には本当に理解できません。」
プーリンにとって、勝利を宣言するのは時期尚早に思えます。どちらの理論も完全ではないと思います。」
