25 個の粒子と 4 つの力。その説明 — 素粒子物理学の標準モデル — は、物理学者によるあらゆるものに対する現在の最良の説明を構成しています。すっきりしていてシンプルですが、完全に満足している人はいません。物理学者を最も苛立たせているのは、力の 1 つである重力が、4 本指の手の親指のように突き出ていることです。重力が違います。
電磁力や核の力の強弱とは異なり、重力は量子論ではありません。これは審美的に不快であるだけでなく、数学的な頭痛の種でもあります。粒子には量子特性と重力場の両方があることがわかっているため、重力場はそれを引き起こす粒子のような量子特性を持つ必要があります。しかし、量子重力の理論はなかなか実現しませんでした.
1960 年代、リチャード ファインマンとブライス デウィットは、電磁気学を量子電気力学と呼ばれる量子理論に変換することに成功したのと同じ手法を使用して、重力の量子化に着手しました。残念なことに、既知の技術を重力に適用すると、高エネルギーに外挿すると、無数の無限に悩まされるという理論が導き出されました。この重力の量子化は不治の病と考えられており、重力が弱い場合にのみ役立つ近似値です.
それ以来、物理学者は、重力が強いときにも機能する理論を見つけることを期待して、重力を量子化するいくつかの試みを行ってきました.ひも理論、ループ量子重力、因果的動的三角形分割、およびその他のいくつかは、その目標を目指してきました。これまでのところ、これらの理論のいずれも、それを裏付ける実験的証拠はありません.それぞれに数学的な長所と短所があり、収束は見えないようです。しかし、これらのアプローチが注目を集めている間に、古いライバルが追いついてきました.
漸近的に (as-em-TOT-ick-lee) 安全な重力と呼ばれる理論は、1978 年にスティーブン ワインバーグによって提案されました。わずか 1 年後に、電磁力と弱い核力を統合したことでシェルドン リー グラショーとアブドゥス サラムと共にノーベル賞を受賞したワインバーグは、重力の単純な量子化に関する問題は理論の死の鐘ではないことに気付きました。高エネルギーに外挿すると理論が破綻するように見えますが、この破綻は決して実現しない可能性があります。しかし、何が起こっているのかを正確に知るために、研究者は最近利用可能になったばかりの新しい数学的方法を待たなければなりませんでした.
量子論では、すべての相互作用は発生するエネルギーに依存します。つまり、相互作用によって重要性が増したり、関連性が低くなったりすると、理論が変化します。この変化は、理論に入る数値 (まとめて「パラメーター」と呼ばれる) がエネルギーにどのように依存するかを計算することで定量化できます。たとえば、強い核力は、結合定数として知られるパラメータがゼロに近づくにつれて、高エネルギーでは弱くなります。この特性は「漸近的自由」として知られており、2004 年にフランク ウィルチェック、デビッド グロス、デビッド ポリッツァーにノーベル賞を授与する価値がありました。
漸近的に自由な理論は、高エネルギーで適切に動作します。問題ありません。重力の量子化はこのタイプのものではありませんが、ワインバーグが観察したように、より弱い基準で十分です。量子重力が機能するには、研究者は有限数のパラメーターのみを使用して高エネルギーで理論を記述できなければなりません。これは、無数の特定できないパラメータを必要とする素朴な外挿で彼らが直面する状況とは対照的です。さらに、どのパラメーターもそれ自体が無限になるべきではありません。パラメータの数が有限であり、パラメータ自体が有限であるというこれら 2 つの要件により、理論は「漸近的に安全」になります。
言い換えれば、高エネルギーでの理論が低エネルギーでの理論と同じように適切に機能する場合、重力は漸近的に安全になります。それ自体では、これは多くの洞察ではありません。この洞察は、この優れた動作が、低エネルギーでの理論について既に知っていることと必ずしも矛盾しないことを認識することから得られます (DeWitt と Feynman の初期の研究から)。
重力が漸近的に安全であるという考えは 40 年前から存在していましたが、ハイデルベルク大学の物理学者である Christof Wetterich とマインツ大学の物理学者である Martin Reuter による研究を通じて、1990 年代後半になってから、その漸近的に安全な重力が引っ掛かりました。ヴェッテリッヒとロイターの業績は、より高いエネルギーで量子重力理論で何が起こるかを計算するために必要な数学的形式を提供しました。したがって、漸近安全プログラムの戦略は、低エネルギーでの理論から開始し、新しい数学的方法を使用して、漸近安全に到達する方法を探ることです。
では、重力は漸近的に安全なのでしょうか?誰もそれを証明していませんが、研究者はアイデアを支持するためにいくつかの独立した議論を使用しています.まず、低次元時空における重力理論の研究は、はるかに簡単に行うことができ、これらの場合、重力は漸近的に安全であることがわかります。第二に、近似計算はその可能性を支持します。第三に、研究者は一般的な方法をより単純な非重力理論の研究に適用し、信頼できることを発見しました.
このアプローチの主な問題は、完全な (無限次元!) 理論空間での計算が不可能であることです。計算を実行可能にするために、研究者は空間のごく一部を研究しますが、得られた結果は限られたレベルの知識しか得られません。したがって、既存の計算は漸近的な安全性と一致していますが、状況は決定的ではありません。そして、未解決のままである別の質問があります。たとえその理論が漸近的に安全であっても、高エネルギーでは物理的に無意味になるかもしれません.
それでも、物理学者は漸近的安全性の背後にあるアイデアをテストすることができます。重力が漸近的に安全である場合、つまり、理論が高エネルギーで適切に機能する場合、存在できる基本粒子の数が制限されます。この制約は、漸近的に安全な重力を、大統一への追求されたアプローチのいくつかと対立させます。たとえば、超対称性の最も単純なバージョン (既知の各粒子の姉妹粒子を予測する、長く普及している理論) は、漸近的に安全ではありません。一方、超対称性の最も単純なバージョンは、LHC での実験によって除外されており、標準モデルの他のいくつかの提案された拡張も同様です。しかし、物理学者が事前に漸近挙動を研究していれば、これらのアイデアは有望ではないと結論付けることができたはずです.
最近の別の研究では、漸近的な安全性も粒子の質量を制約することが示されました。これは、トップ クォークとボトム クォークの質量の差が特定の値よりも大きくなってはならないことを意味します。トップ クォークの質量をまだ測定していなければ、これを予測として使用できたはずです。
これらの計算は、完全には正当化されないことが判明する可能性のある概算に依存していますが、結果はこの方法の力を示しています。最も重要な意味は、力が統一される可能性のあるエネルギーでの物理学 - 通常、絶望的に手の届かないところにあると考えられている - が、低エネルギーでの物理学と複雑に関連しているということです。漸近安全性の要件がそれらを結び付けます。
漸近的に安全な重力に取り組んでいない同僚と話すときはいつでも、彼らはそのアプローチを「残念」と呼んでいます。このコメントは、漸近的安全性とは、量子重力から学ぶべき新しいことは何もないことを意味するという考えから生まれていると私は信じています. P>
しかし、漸近的安全性は、上記の例が示すように、テスト可能な低エネルギーとアクセス不可能な高エネルギーとの間のリンクを提供するだけでなく、このアプローチは重力を量子化する他の方法と必ずしも競合しません.それは、漸近的安全性の中心にある外挿が、時空のより基本的な記述 (たとえば、文字列やネットワークを使用したもの) が高エネルギーで出現することを排除していないためです。がっかりするどころか、漸近安全性により、既知の宇宙を時空の量子的挙動に最終的に接続できるようになるかもしれません.
この記事は Wired.com に転載されたものです。
