物理学者たちは何十年もの間、特異点として知られる無限に密度の高い点がブラック ホールの外に存在する可能性があるかどうか疑問に思ってきました。これにより、量子重力の謎がすべて明らかになります。特異点 — アルバート アインシュタインの古典的な重力理論が崩壊し、重力の未知の量子理論が必要とされる空間と時間の滑らかな構造の障害 — は常に暗闇に覆われ、ブラック ホールの事象の地平線の背後に隠れているようです。英国の物理学者で数学者のロジャー ペンローズ卿は、1969 年に、一種の宇宙検閲によって、目に見える、または「裸の」特異点が実際に自然界で形成されることを禁じられていると推測しました。しかし、なぜ量子重力はそれ自体を検閲する必要があるのでしょうか?
現在、新しい理論計算により、裸の特異点が存在しない理由の可能な説明が提供されています。少なくとも、特定のモデル宇宙ではそうです。調査結果は、重力に関する 2 番目の新しい推測が、もしそれが本当なら、このモデル宇宙で裸の特異点が形成されるのを防ぐことによって、ペンローズの宇宙検閲の推測を強化することを示しています。一部の専門家は、2 つの推測の間の相互支持関係が、両方が正しい可能性を高めると述べています。これは、特異点がイライラするほど隠されたままであることを意味する一方で、私たちをとらえていない量子重力理論の重要な特徴を明らかにすることにもなります.
カリフォルニア工科大学のジョン・プレスキルは、2 つの予想の間に「関連性があることを喜ばしく思います」と述べました。ジョン・プレスキルは、1991 年にスティーブン・ホーキングに宇宙検閲予想が失敗するだろうと賭けました (彼は実際にはそれがおそらく正しいと考えています)。
Physical Review Letters で 5 月に報告された新しい研究 ケンブリッジ大学の Jorge Santos と彼の学生 Toby Crisford によるもので、ハーバード大学の Cumrun Vafa による重要な洞察に依拠して、予想外に宇宙検閲を 2006 年の弱い重力予想に結びつける。私たちの宇宙と同じように。 (重力は 4 つの基本的な力の中で最も弱いものです。2 つの電子は、重力で引き合うよりも 100 万兆倍も強く電気的に反発します。)私たちとは異なる時空幾何学を持つ4次元宇宙。しかし、重力よりも強く粒子に影響を与える別の力がその宇宙に存在する場合、特異点はブラックホールに隠されることを発見しました。別の言い方をすれば、全世界が見ることができる裸の時空構造の中でひねくれたピンプリックが形成されるところでは、重力の相対的な弱さがそれを防ぎます.
サントスとクリスフォードは現在、最初の計算が示唆するように、重力がモデル宇宙で最も弱い力になる限界で宇宙検閲が保存されるかどうかをテストするためにシミュレーションを実行しています。より確立された宇宙検閲の予想とのそのような同盟は、弱い重力の予想に非常によく反映されます。弱い重力が正しければ、重力と他の量子力との間に深い関係があることを示しており、ループ量子重力と呼ばれるライバル理論よりもひも理論を支持する可能性があります。重力が弦の振動モードの 1 つであり、電磁気力のような力が他のモードである弦理論では、力の「統一」が自然に起こります。しかし、ループ量子重力では、時空が他の粒子や力に直接接続されていない小さな体積パケットに量子化されます。 「弱い重力予想が正しければ、ループ量子重力は間違いなく間違っています」と、弱い重力予想を共同発見した高等研究所のニマ・アルカニ・ハメド教授は述べています。
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学者である Gary Horowitz は、新しい研究は「量子重力について教えてくれます」と述べています。
裸の特異点
1991 年、カリフォルニア工科大学の理論物理学者である Preskill と Kip Thorne は、ケンブリッジ大学の Stephen Hawking を訪問しました。ホーキング博士は、物質の存在下で時空がどのように曲がり、重力を発生させるかを定義するアインシュタイン方程式に詰め込まれた可能性を数十年にわたって探求してきました。ペンローズや他の皆と同じように、彼は私たちのような宇宙で裸の特異点が形成されるメカニズムをまだ見つけていませんでした.常に、特異点はブラック ホールの中心にあります。これは時空のシンクホールであり、非常に急勾配であるため、光が上ることができません。彼は訪問者に、宇宙検閲を信じていると語った。量子重力とブラック ホールの専門家である Preskill と Thorne (Thorne は、ブラック ホールを検出する LIGO 実験を開始した 3 人の物理学者の 1 人でした) は、裸の特異点と量子重力効果を検出できる可能性があると感じていると述べました。 「長い一時停止がありました」と Preskill 氏は回想します。 「すると、スティーブンが『賭けてみませんか？』と言いました」
最初のあいまいな例外が発生した後、1997 年にこの賭けは技術的な問題で解決し、再交渉する必要がありました。ブリティッシュ コロンビア大学の物理学者で、数値シミュレーションを使用してアインシュタインの理論を研究している Matt Choptuik は、初期条件を完全に微調整すると、私たちのような 4 次元宇宙で裸の特異点が形成されることを示しました。初期データをいくらでも微調整すると、それが失われます — 特異点の周りにブラック ホールが形成され、シーンが検閲されます。この例外的なケースは、ペンローズが意図したように宇宙検閲を否定するものではありません。それにもかかわらず、ホーキングは最初の賭けを認め、「勝者の裸を覆う服で」規定に従って借金を返済しました。彼は、カリフォルニア工科大学で 1,000 人に講演を行っているときに、ほぼ裸の女性が描かれた T シャツを着せて、プレスキルを当惑させました。服は「適切な譲歩的なメッセージが刺繍されている」はずだったが、ホーキング博士は挑戦のように読んだ：「自然は裸の特異点を嫌う」.
物理学者は、宇宙検閲に対する例外的ではない反例のみがカウントされることを明確にする文言とともに、新しい賭けをオンラインに投稿しました。そして今回、彼らは、「服には、適切で真に譲歩的なメッセージを刺繍することになっている」と同意した。
賭けは 20 年経った今でも有効ですが、脅威にさらされていないわけではありません。 2010 年、物理学者の Frans Pretorius と Luis Lehner は、5 次元以上の仮想宇宙で裸の特異点を生成するメカニズムを発見しました。サントスとクリスフォードは 5 月の論文で、私たちの宇宙と同じように 4 つの時空次元を持つ古典的な宇宙の裸の特異点を報告しましたが、幾何学は根本的に異なります。この最新のものは、「1990年代の『技術的』反例と真の反例の中間にある」とホロウィッツは述べた。 Preskill は、賭けを解決しないことに同意します。しかし、話は変わります。
ブリキ缶の世界
2014 年にホロウィッツ、サントス、ベンソン ウェイが「アンチ デ シッター」(AdS) 空間と呼ばれる架空の 4 次元宇宙に裸の特異点が存在する可能性があることを発見したとき、この新しい発見は展開し始めました。できる。この宇宙には境界 (缶の側面) があるため、量子重力に関するアイデアの実験に便利です。物理学者は、缶の内部の曲がった時空を、重力のない缶の表面から突き出たホログラムのように扱うことができます。 . 「de Sitter」(dS) ジオメトリに近い私たちのような宇宙では、唯一の境界は無限の未来、本質的に時間の終わりです。時代を超越した無限は、生きて呼吸する宇宙のホログラムを投影するのに適した表面にはなりません.
それらの違いにもかかわらず、AdS 宇宙と dS 宇宙の両方の内部は、アインシュタインの古典的な重力理論に従います。宇宙の検閲が 2 つの領域のいずれかで維持される場合、一部の専門家は、それが両方で維持されると予想する可能性があると述べています。
ホロウィッツ、サントス、ウェイは、AdS 宇宙で電場と重力場が共存するとどうなるかを研究していました。彼らの計算では、ブリキ缶の宇宙の表面の電場のエネルギーを上昇させると、内部の対応する点の周りで時空がますます急激に曲がり、最終的に裸の特異点が形成されることが示唆されました。 Santos と Crisford は最近の論文で、数値シミュレーションを使用して以前の計算を検証しました。
しかし、ジオメトリを変更すると、5 次元と 4 次元に裸の特異点が存在するのに、私たちのような平らな 4 次元宇宙には存在しないのはなぜでしょうか? 「まるで、なんてこった！」サントスは言った。 「あなたがそれに取り組まなければならないのはとても奇妙ですよね？ここに何かがあるはずです。」
弱い重力で救出
2015 年、ホロウィッツは 4 次元 AdS 空間における裸の特異点の証拠について、ホロウィッツのオフィスに立ち寄ったハーバード大学のひも理論家で量子重力理論家のカムラン バファに言及しました。 Vafa は、ひも理論が素朴に許容する 10 の異なる可能性のある宇宙の大部分を除外するために取り組んできました。彼は「沼地」を特定することでこれを行いました。これは、論理的に矛盾しすぎて存在できない失敗した宇宙です。土地と沼地のパターンを理解することで、彼は量子重力の全体像を把握したいと考えました.
2006 年に Arkani-Hamed、Luboš Motl、および Alberto Nicolis と協力して、Vafa は湿地帯のテストとして弱い重力予想を提案しました。研究者たちは、粒子が少なくとも他の 1 つの力による影響よりも重力による影響が少ない場合にのみ、宇宙が意味をなすように見えることを発見しました。自然の他の力を弱めすぎると、因果関係の違反やその他の問題が発生します。 「最も弱い力として重力に違反し始めたとき、事態はうまくいかなかった」とArkani-Hamed氏は語った.弱重力要件は、沼沢地の量子重力ランドスケープの巨大な領域を溺死させます。
弱い重力と宇宙の検閲は別のことを説明しているように見えるが、2015 年のその日、ホロウィッツとの会話で、ヴァファはそれらが関連している可能性があることに気付いた。ホロウィッツは、サントスとクリスフォードのシミュレートされた裸の特異点を説明しました。研究者がブリキ缶の宇宙の境界で電場の強度を上げたとき、内部は古典的であると仮定しました — 完全に滑らかで、量子力学的に変動する粒子はなく、存在しない。しかし、Vafa は、そのような粒子が存在し、弱い重力の予想に従って、それらが重力よりも電場に強く結合している場合、AdS 境界で電場を大きくすると十分な数の粒子が発生するだろうと推論しました。内部の対応する領域で発生し、その領域を重力で崩壊させてブラック ホールにし、裸の特異点を防ぎます。
サントスとクリスフォードによるその後の計算は、ヴァファの予感を支持しました。彼らが現在実行しているシミュレーションでは、重力が最も弱くなるポイントで、裸の特異点がブラック ホールに覆われることを確認できます。 「正確な理由はわかりませんが、本当のようです」と Vafa 氏は述べています。 「この 2 つはお互いを強化します。」
量子重力
新しい研究と2つの予想の完全な意味が理解できるようになるには時間がかかるだろう.弱い重力がギャップを埋め、量子重力を宇宙の粒子を支配する他の量子力に結びつけ、おそらくループ的なアプローチよりも糸のようなアプローチを支持しているようです. Preskill 氏は、「軍隊の統一を信じる理由や議論のリストにあなたが入れるものだと思います。」
しかし、ループ量子重力の開発者の 1 人である Perimeter Institute の Lee Smolin は反論し、もし弱い重力が真実ならそれには奇妙な理由があるかもしれないと主張した。そして彼は、彼の理論の中に力の統一への道があると主張しています — 弱い重力の予想が成り立つならば、その道はさらに精力的に追求される必要があるでしょう.
私たちの宇宙に裸の特異点がないように見えることを考えると、物理学者は量子重力に関するヒントを見つけることができる場所ならどこでも見つけるでしょう。それらは、1990 年代と同じように、可能性のある量子重力理論の無限の風景の中で失われ、基礎となる理論が私たちの世界を説明する実験を通じて決定する見込みはありません。 「したがって、そのような量子重力理論が実行可能であるために必要な一般的な特性を見つけることが最も重要です」とサントス氏は述べ、沼地の哲学を反映しています.
弱い重力はそのような特性の 1 つかもしれません。これは、こぼれ出てブラック ホールを超えた世界に影響を与える量子重力の一貫性に必要な条件です。これらは、研究者が暗闇への道を探るのに役立つ唯一の手がかりの一部かもしれません.
