Alice と Bob の両方が食事を準備するように求められたとします。アリスは中国語が好きで、ボブはイタリア語が好きです。それぞれが好きなレシピを選び、地元の専門店で買い物をし、指示に従って慎重に進みます。しかし、オーブンから料理を取り出すと、彼らは大きな驚きに直面します。 2つの食事は同じであることが判明しました。アリスとボブが自問しなければならない実存的な質問を想像できます。異なる食材を使って同じ料理を作るにはどうすればよいでしょうか?中華料理やイタリア料理を作るとはどういう意味ですか?そして、食品を準備する彼らのアプローチは完全に間違っていますか?
これは、まさに量子物理学者が経験する当惑です。彼らは、同じ物理システムの 2 つの完全に異なる説明の多くの例を見つけました。物理学の場合、材料は肉やソースではなく、粒子と力です。レシピは相互作用をコード化した数式です。調理プロセスは、方程式を物理現象の確率に変換する量子化手順です。 Alice と Bob のように、量子物理学者は、異なるレシピがどのように同じ結果につながるのか疑問に思っています.
自然はその基本的な法則を選択する際に選択の余地がありましたか?アルバート・アインシュタインは、いくつかの一般原則が与えられれば、一貫した機能する宇宙を構築する本質的に独自の方法があると信じていたことは有名です.アインシュタインの見解では、物理学の本質を十分に深く探れば、歯車のように、すべての構成要素 (物質、放射線、力、空間、時間) が一緒になって現実を機能させる方法が 1 つだけ存在することになります。 、機械式時計のぜんまい、文字盤、歯車が独自に組み合わさって時を刻みます。
素粒子物理学の現在の標準モデルは、ほんの一握りの構成要素だけでしっかりと構築されたメカニズムです。しかし、宇宙は唯一無二ではなく、無限に存在する可能性のある世界の 1 つに見えます。この粒子と力の特定の組み合わせが自然の構造の根底にある理由はわかりません。クォークの「フレーバー」が 6 つ、ニュートリノの「世代」が 3 つ、ヒッグス粒子が 1 つあるのはなぜですか?さらに、標準モデルには 19 の自然定数 (電子の質量や電荷などの数値) が含まれており、実験で測定する必要があります。これらの「自由なパラメータ」の値には、深い意味はないようです。一方では、素粒子物理学はエレガンスの驚異です。一方で、これはまあまあの話です。
私たちの世界が数ある世界の 1 つにすぎないとしたら、どのように代替案に対処すればよいでしょうか?現在の視点は、アインシュタインのユニークな宇宙の夢とは正反対と見なすことができます。現代の物理学者は、可能性の広大な空間を受け入れ、その包括的な論理と相互接続性を理解しようとしています。彼らは金鉱採掘者から地理学者や地質学者になり、地形を詳細にマッピングし、地形を形成した力を研究しています。
この視点の転換をもたらしたゲームチェンジャーは弦理論でした。現時点では、量子力学と相対論の厳密な論理規則に従いながら、重力を含むすべての粒子と力を説明できる自然理論の唯一の実行可能な候補です。良いニュースは、ひも理論には自由パラメーターがないことです。回すことができるダイヤルはありません。どの弦理論が私たちの宇宙を説明しているのかを尋ねるのは意味がありません.1つしかないからです.追加機能がないことは、根本的な結果につながります。自然界のすべての数値は、物理学自体によって決定される必要があります。それらは「自然の定数」ではなく、方程式によって固定された変数にすぎません (おそらく扱いにくい複雑なものです)。
これは悪いニュースにつながります。ひも理論の解の空間は広大で複雑です。これは物理学では珍しいことではありません。私たちは伝統的に、数学方程式によって与えられる基本法則と、これらの方程式の解とを区別しています。通常、法則は数個しかありませんが、解は無数にあります。ニュートンの法則を考えてみましょう。それらは鮮明でエレガントですが、落下するリンゴから月の軌道まで、信じられないほど幅広い現象を表しています。特定のシステムの初期条件がわかっている場合、これらの法則の力により、方程式を解き、次に何が起こるかを予測できます。私たちは、すべてを説明するアプリオリにユニークなソリューションを期待したり、要求したりしません.
ひも理論では、特定の粒子や力など、通常は自然の法則と見なされる物理学の特定の機能は、実際には解です。それらは、非表示の余分な次元の形状とサイズによって決まります。これらすべてのソリューションの空間は、しばしば「ランドスケープ」と呼ばれますが、それは控えめな表現です。この広大な空間に比べると、最も畏敬の念を起こさせる山の景色でさえ青ざめます。その地理はほとんど理解されていませんが、巨大な次元の大陸があることはわかっています。最も魅力的な機能の 1 つは、すべてが接続されている可能性があることです。つまり、2 つのモデルはすべて切れ目のない経路で接続されています。宇宙を十分に揺さぶることで、ある可能性のある世界から別の世界に移動することができ、自然の不変の法則と、現実を構成する素粒子の特別な組み合わせについて、私たちが考えるものを変えることができます.
しかし、簡単に数百の次元を持つ宇宙の物理モデルの広大な風景をどのように探索すればよいでしょうか?ランドスケープを大部分が開発されていない荒野として視覚化すると便利です。そのほとんどは、手に負えない複雑さの厚い層の下に隠されています。居住可能な場所を見つけることができるのは、まさにその端だけです。これらの前哨基地では、生活はシンプルで良いものです。ここで、私たちが完全に理解している基本的なモデルを見つけます。それらは現実世界を説明する上ではほとんど価値がありませんが、地元の近隣を探索するための便利な出発点として役立ちます.
良い例は、物質と光の間の相互作用を説明する量子電気力学の理論である QED です。このモデルには、2 つの電子間の力の強さを測定する微細構造定数 α と呼ばれる 1 つのパラメーターがあります。数値的には $latex ^1/_{137}$ に近いです。 QED では、すべてのプロセスは基本的な相互作用から生じると見なすことができます。たとえば、2 つの電子間の反発力は、光子の交換として視覚化できます。 QED では、2 つの電子が光子を交換する可能性のあるすべての方法を検討する必要があります。これは、実際には物理学者が非常に複雑な無限の和を解かなければならないことを意味します。しかし、この理論は解決策も提供します。光子交換が追加されるたびに、α の累乗を含む項が追加されます。これは比較的小さな数であるため、多くの交換を伴うタームはわずかな寄与しかありません。これらは、「実際の」値の概算では無視できます。
これらの弱結合理論は、風景の前哨基地で見つかります。ここでは力の強さは小さく、素粒子の買い物リストとそれらの相互作用を計算するレシピについて話すことは理にかなっています.しかし、身近な環境を離れて荒野の奥深くに移動すると、カップリングが大きくなり、拡張の各追加項がより重要になります。これで、個々の粒子を区別できなくなりました。代わりに、熱したオーブンに入れられたケーキの材料のように、絡み合ったエネルギーのメッシュに溶け込みます。
ただし、すべてが失われるわけではありません。暗い荒野を通る道は、別の前哨基地で終わることがあります。つまり、適切に制御された別のモデルで、今回は完全に異なる粒子と力のセットで作成されました。このような場合、アリスとボブの料理の場合と同様に、基礎となる同じ物理学に対して 2 つの代替レシピがあります。これらの補完的な記述は双対モデルと呼ばれ、それらの間の関係は双対性です。これらの双対性は、ハイゼンベルグによって発見された有名な粒子と波動の双対性を大規模に一般化したものと見なすことができます。 Alice と Bob にとっては、中国語とイタリア語のレシピの翻訳という形になります。
なぜこれは物理学にとって非常にエキサイティングなのですか?まず第一に、すべてではないにしても多くのモデルが相互接続された 1 つの巨大な空間の一部であるという結論は、現代の量子物理学の最も驚くべき結果の 1 つです。 「パラダイムシフト」という言葉にふさわしい視点の転換です。個々の島々の群島を探索する代わりに、1 つの巨大な大陸を発見したことを示しています。ある意味では、1 つのモデルを十分に深く研究することで、それらすべてを研究することができます。これらのモデルがどのように関連しているかを調べ、共通の構造を明らかにすることができます。この現象は、ひも理論が現実世界を記述しているかどうかという問題とはほとんど無関係であることを強調することが重要です。これは、将来の「すべての理論」がどのようなものになるかにかかわらず、ここにとどまる量子物理学の固有の特性です。
より劇的な結論は、基礎物理学の伝統的な記述はすべて捨て去らなければならないということです。粒子、フィールド、力、対称性 — それらはすべて、この不可解な複雑さの広大な風景の前哨基地にある単純な存在の人工物にすぎません。基本的なビルディング ブロックの観点から物理学を考えるのは間違っているか、少なくとも範囲が限られているようです。おそらく、身近な概念をすべて無視して、基本的な自然の法則を統合する根本的な新しい枠組みが存在するでしょう。ひも理論の数学的複雑さと一貫性は、この劇的な視点の強い動機となっています。しかし、私たちは正直でなければなりません。粒子とフィールドを置き換えるものについての現在のアイデアは、ニールス ボーアの言葉を借りれば、「真実であるほどクレイジー」なものはほとんどありません。アリスとボブのように、物理学は古いレシピを捨てて、現代のフュージョン料理を受け入れる準備ができています.
