多くの物理学者はグラビトンが存在すると仮定していますが、グラビトンが実際に見られるとはほとんど考えていません。これらの仮説上の素粒子は、アルバート アインシュタインの一般相対性理論を量子力学と統合しようとする量子重力理論の基礎です。しかし、それらを自然界で観察することは、おそらく不可能であることで知られています。
重力子の世界は、可能な限り最小の縮尺で時空構造にズームインした場合にのみ明らかになります。これには、非常に大量のエネルギーを利用できるデバイスが必要です。残念ながら、この「プランク長」まで直接測定できる測定装置は、必然的に非常に巨大になり、崩壊してブラック ホールになります。 「自然界は、プランク長よりも誤差が小さい距離の測定を禁止しようと企んでいるようです」と、著名な理論物理学者であるフリーマン ダイソンは、2013 年の講演で、この極限の封筒の裏側の計算を提示して述べました。
したがって、従来の考え方によれば、グラビトンは、宇宙の最も極端な場所、つまりビッグバンの頃、またはブラック ホールの中心部でのみ現れる可能性があります。シカゴ大学の天体物理学者であるダニエル・ホルツは、「ブラックホールの問題は、それらが黒いため、何も出てこないことです。 「そして、量子重力がまさにその中心で起こっているので、残念です。」
しかし、最近発表された論文はこの見解に異議を唱えており、重力子がレーザー干渉計重力波天文台であるLIGOなどの重力波検出器で観測可能な「ノイズ」を作成する可能性があることを示唆しています。アリゾナ州立大学の宇宙学者で論文の共著者である Maulik Parikh 氏は、次のように述べています。エム>
既存の、あるいは将来の重力波観測所がこのノイズを検出するのに必要な感度を持っているかどうかはまだ不明ですが、これらの計算により、ほぼ不可能であることが少なくとももっともらしいものになりました.グラビトンが検出器と全体としてどのように相互作用するかを検討することで、彼らはグラビトン ノイズのアイデアに確固たる理論的基盤を与え、物理学者を量子力学の法則に従って深く作用するという実験的証拠に一歩近づけました.
波のジッター
ダイソンの 2013 年の計算は、多くの人々に、重力波検出器はせいぜい、量子重力について学ぶための非現実的なプローブであると確信させました。
「量子効果と重力放射について考えるのは時間の無駄だという、ある種の既定のコンセンサスがあります」紙。実際、Wilczek、Parikh、アリゾナ州立大学の宇宙学者で 3 人目の共著者である George Zahariade のいずれも、2015 年に LIGO が重力波を発見するまで、この可能性を真剣に受け止めていませんでした。 「実際の実験結果ほど注目を集めるものはありません」と Wilczek 氏は述べています。
重力子は、光子が電磁気力を運ぶのと同様の方法で重力を運ぶと考えられています。光線が正常に動作する光子の集まりとして描かれるのと同じように、重力波 (激しい宇宙プロセスによって作成される時空の波紋) は、重力子で構成されていると考えられています。これを念頭に置いて、著者らは、重力波検出器が原理的に重力子を見るのに十分な感度を持っているかどうかを尋ねました。 「それは、波に乗っているサーファーが、動きだけで波が水滴でできていることをどのように判断できるのか、と尋ねるようなものです。」
単一のグラビトンに焦点を当てた大雑把な計算を行ったダイソンとは異なり、彼らは多くのグラビトンの影響を考慮しました。 「私たちは常にブラウン運動に触発されてきました」と Parikh 氏は、流体中の微細な粒子のランダムな揺れや揺れについて言及しました。アインシュタインは、ブラウン運動を使用して原子の存在を推測し、それが微視的な粒子に衝突しました。同じように、多くのグラビトンの集団的挙動が重力波を微妙に再形成する可能性があります.
重力波検出器は、最も単純には、ある距離を隔てた 2 つの質量と考えることができます。重力波が通過すると、波が質量間の空間を引き伸ばしたり押しつぶしたりするにつれて、この距離が増減します。ただし、重力子をミックスに追加すると、時空の通常の波紋の上に新しいモーションが追加されます。検出器が重力子を吸収および放出すると、質量がランダムに振動します。これがグラビトンノイズです。ジッターの大きさ、つまり検出できるかどうかは、最終的に検出器に当たる重力波の種類に依存します。
重力場は、それらがどのように作成されたかに応じて、さまざまな「量子状態」で存在します。ほとんどの場合、重力波は池の波紋に似た「コヒーレント状態」で生成されます。 LIGO のような検出器は、ブラック ホールや中性子星が互いに渦巻いて衝突する際に放出される従来の重力波を検出するように調整されています。
コヒーレントな重力波でさえグラビトン ノイズを生成しますが、ダイソンも発見したように、小さすぎて測定できません。これは、検出器が重力子を吸収するときに生成されるジッターが、重力子を放出するときに生成されるジッターと「絶妙にバランスが取れている」ためであるとウィルチェック氏は述べ、計算がコヒーレント状態のより大きなノイズにつながることを望んでいた. 「少しがっかりしました」と彼は言いました。
思いとどまらず、パリク、ウィルチェック、ザハリアーデは、ダイソンが考慮しなかった他のいくつかのタイプの重力波を調べました。彼らは、スクイーズド状態と呼ばれる特に1つの量子状態が、はるかに顕著な重力子ノイズを生成することを発見しました。実際、Parikh、Wilczek、Zahariade は、グラビトンが圧縮されるほどノイズが指数関数的に増加することを発見しました。
彼らの理論的調査は、一般的な通念に反して、重力子ノイズは原理的に観測可能であることを示唆しました。さらに、このノイズを検出することで、物理学者は圧迫された重力波を生成する可能性のあるエキゾチックなソースについて知ることができます.アムステルダム大学の理論物理学者である Erik Verlinde は、次のように述べています。
「重力子が何らかの方法で検出器を攻撃するので、少しジッターが発生するというイメージが常にありました」と Parikh 氏は言います。 「しかし、この重力子ノイズ項が数学的にどのように発生するかを理解したとき、それは素晴らしい瞬間でした。」
計算は 3 年間にわたって行われ、最近の論文にまとめられています。計算の完全なセットを説明する論文は、現在査読中です。
しかし、LIGO を含め、研究室では日常的にスクイーズ光が作られていますが、スクイーズド重力波が存在するかどうかはまだわかっていません。 Wilczek は、重力場が非常に強く急速に変化するブラック ホールの合体の最終段階で、この圧迫効果が生じるのではないかと考えています。時空が非常に急速に拡大した初期の宇宙の期間であるインフレーションも、圧迫につながる可能性があります。著者らは現在、これらの宇宙イベントとそれらが放出する重力波の正確なモデルを構築することを計画しています.
「これは非常に難しい計算への扉を開き、最後まで実行するのは困難です」と Wilczek 氏は述べています。 「しかし良いニュースは、それが非常に興味深くなり、実験ターゲットとして現実的になる可能性があることです。」
ホログラムシェイク
他の物理学者は、宇宙の量子源に目を向けるのではなく、時空の泡立つ真空で重力子ノイズを直接見たいと考えています。それらが現れると、これらの仮想粒子は時空をそれらの周りで緩やかにゆがめ、時空の泡として知られるランダムな変動を生み出します。
この量子世界は、実験には近づきにくいように見えるかもしれません。しかし、そうではありません — 宇宙が「ホログラフィック原理」に従っている場合、時空の構造は、3D ホログラムが 2D パターンから飛び出すのと同じように出現します。ホログラフィックの原理が正しいとすれば、グラビトンのような量子粒子は低次元の表面に存在し、高次元の時空のおなじみの重力をエンコードします。
このようなシナリオでは、量子重力の影響を LIGO のような実験の日常の世界に増幅することができます。カリフォルニア工科大学の理論物理学者である Verlinde と Kathryn Zurek による最近の研究では、LIGO または別の感度の高い干渉計を使用して、機器を取り囲むバブリング真空を観察することを提案しています。
ホログラフィック ユニバースでは、干渉計は高次元の時空に位置し、低次元の量子面に密接に包まれています。表面全体の小さな変動を合計すると、干渉計によって検出されるのに十分な大きさのノイズが作成されます。 「量子重力による影響は、プランク スケールだけでなく、[干渉計の] スケールによっても決定されることを示しました」と Verlinde 氏は述べています。
ホログラフィック原理に関する彼らの仮定が正しいとすれば、グラビトン ノイズは LIGO の実験ターゲットになるか、卓上実験のターゲットにもなります。 2015 年、フェルミ国立加速器研究所では、ホロメーターと呼ばれる卓上実験で、宇宙がホログラフィックであるという証拠を探しましたが、不足していることがわかりました。 「当時の理論的アイデアは非常に原始的でした」と Verlinde 氏は述べ、Zurek との彼の論文の計算は、それ以降に開発されたより詳細なホログラフィック手法に基づいていることに注目しました。この計算により、研究者がこのグラビトン ノイズがどのように見えるかを正確に予測できるようになれば、発見の可能性は高くなると彼は考えていますが、まだ可能性は低いと考えています。
Zurek と Verlinde のアプローチは、私たちの宇宙がホログラフィックである場合にのみ機能します。 Zurek 氏は、彼らの態度を「西部開拓時代の考え方に近い」と表現し、「これはリスクが高く、成功する可能性は低いですが、量子重力を理解していません」と述べています。
未知の領域
対照的に、Parikh、Wilczek、Zahariade の計算は物理学に基づいており、これに同意する人はほとんどいません。 「私たちは非常に保守的な計算を行いましたが、これはほぼ間違いなく正しいものです」と Parikh 氏は述べています。 「本質的には、重力子と呼ばれるものが存在し、重力を量子化できると仮定しているだけです。」
しかし、トリオは、現在または計画されている重力波検出器が重力子ノイズを検出できるかどうかを知る前に、より理論的な調査を行う必要があることを認めています. 「それにはいくつかの幸運な休憩が必要です」と Parikh 氏は言います。宇宙には、圧搾された重力波を生み出すエキゾチックな発生源が存在する必要があるだけでなく、重力子ノイズは、LIGO がすでに影響を受けている他の多くのノイズ源と区別できなければなりません。
「これまでのところ、LIGO は、アインシュタインの一般相対性理論の予測を破る物理学の兆候を示していません」と、LIGO コラボレーションのメンバーである Holz 氏は述べています。 「そこから始めましょう。一般相対性理論は驚くべきものです。」それでも彼は、重力波検出器が宇宙に関する新たな基本的発見をするための最良の希望であることを認めています。なぜなら、地形は「完全に地図に載っていない」からです。
Wilczek は、研究者が重力子ノイズがどのように見えるかについて理解を深めれば、重力波検出器を調整してそれを見つける可能性を高めることができると主張している。 「当然のことながら、人々は信号を釣り上げることに集中しており、ノイズの興味深い特性について心配することはありませんでした」と Wilczek 氏は述べています。 「しかし、それを念頭に置いているなら、おそらく別のものを設計するでしょう。」 (Holz 氏は、LIGO の研究者がすでにいくつかの可能性のある宇宙ノイズ信号を研究していることを明らかにしました。)
今後の課題にもかかわらず、Wilczek 氏は、彼らの研究が実験的に調べることができる予測につながると「慎重に楽観的」であると述べました。いずれにせよ、彼はこの論文が他の理論家にグラビトンノイズを研究するよう促すことを望んでいます.
「基礎物理学は大変な仕事です。 T シャツにすべてを書き込めることはよく知られていますが、それに追加したり変更したりするのは難しいことです」と Wilczek 氏は述べています。 「これがどのようにそこに直接つながるかはわかりませんが、世界に新しい窓が開きます.
「そして、私たちが見ているものを見るでしょう。」
この記事はに転載されました Wired.com <私>。
