物理学では、推測を行い、推測の結果を実験結果と比較することにより、新しい法則を発見します。常に引用されているリチャード・ファインマンは次のように述べています。あなたがどれだけ頭が良いかは何の違いもありません…それが実験に反するなら、それは間違っています。」
これは、物理学を数学などから分離するものの本質です。数学者も推測を行い、最終的な真実の決定者は厳密な証明です。物理学者は洗練された数学的ツールを使用したり、発明したりするかもしれませんが、宇宙をありのままに説明するという別の目的があります。そのためには実験が不可欠です。
もちろん、実験による検証は、私たちの理論的推測に大きく遅れをとっている可能性があります。科学者が地球の重力波を検出するのに 100 年、ヒッグス粒子を発見するのに 50 年かかりました。どちらも多くの創意工夫、技術開発、金銭的投資が必要でした。そして、これらの実験的観察は、理論的予測を確認しただけでなく、新しいことを教えてくれ、さらなる調査への扉を開きました.天体物理学的発生源が検出可能な重力波を生成できると予想していましたが、それらの発生源がどれほど一般的であるかはわかりませんでした。また、ヒッグス粒子が存在すると信じる理由がありましたが、その質量については確信が持てませんでした.
量子重力の研究は、理論が実験に先んじる極端な例です。私たちは、原子および核未満の粒子のスケールでの量子物理学について十分に理解していますが、非常に強い重力に適用される実験的に検証された量子理論はありません。そのような理論がなければ、ビッグバン直後の初期宇宙で何が起こったのかを理解することも、ブラックホール内で想像を絶する高密度に圧縮された不幸な宇宙飛行士の正確な運命を予測することもできません.道しるべとなる実験が必要ですが、気が滅入るほどとらえどころのないものです。
素粒子物理学の歴史は、有益な類似点を提供します。 1950年代までに、実験と一致する弱い核力の理論ができました。しかし、純粋に理論的な理由から、これには欠陥があり不完全であることがわかっていました。理論の予測は、約 10 メートル以下の非常に短い距離スケールでは失敗するだろうと見積もることさえできました。最終的に、これらの小さなスケールで物質を調査するのに十分強力な加速器は、W ボソン、Z ボソン、ヒッグス粒子などの新しい現象の発見につながり、より完全な理論を示しました。
重力についても、現在の理論が不完全であると信じる十分な理由があり、ここでも、新しい現象が現れるはずの距離スケールを見積もることができます。約 10 メートルです。残念ながら、既存の技術を使用してその規模を調査できる粒子加速器を構築するには、天の川銀河と同じくらいの大きさのマシンが必要になります。明らかに、それは遠い将来でも手の届かないものになるでしょう.
「総当たり」による量子重力の調査はうまくいかないため、前進するには、より独創的で直接的ではない方法を見つける必要があります。そして実際に、実験室で量子重力を調査するためのさまざまな提案があり、そのすべてが実験者による英雄的な (しかし必ずしも無駄ではない) 努力を必要とします。私が興味深いと思うアプローチを 1 つ紹介したいと思います。
それを理解するために、量子重力で研究されている典型的な現象である、量子効果によるブラックホールの形成と最終的な蒸発に焦点を当てましょう。最初は、ラボで関連する実験を行うことは、危険なことは言うまでもなく、不可能に思えるかもしれません。しかし、方法があるかもしれません。
量子重力の理論的調査により、同じ物理現象の 2 つの異なる定式化の間に驚くべき同等性が確立されました。その等価性のおかげで、ブラック ホールのライフ サイクルは、重力をまったく含まないまったく別の言語で記述できます。代わりに、「デュアル」量子システムは、互いに強く相互作用する多くの粒子で構成されています。現在の研究の目標の 1 つは、これらの言語の 1 つを他の言語に翻訳する辞書を完成させることです。
根底にある同じ物理学の 2 つの異なる記述のこの等価性は、「単なる」数学的観察のように見えるかもしれませんが、実験に対するその意味は深遠です。ブラック ホールの非重力記述を研究するために必要な実験ツールは、まったく異なる理由で物理学者がすでに開発してきたものとまったく同じであることが判明しました。これは、量子重力のシミュレーションと量子計算の両方で、多くの粒子からなる複雑なシステムを保存し、それらがどのように相互作用するかを正確に制御する必要があるためです。
私は長年、量子コンピューティングとブラック ホールの両方に深い関心を持ってきたので、この 2 つの関係は魅力的で満足のいくものです。確かに、量子コンピューティング技術はまだ未熟であるため、近いうちに実験室で現実的なブラック ホールをシミュレートすることはできません。大丈夫です — 量子重力の興味深い特徴のいくつかを捉える単純化されたモデルを研究することに落ち着きます。これらも有益であり、量子技術が進歩するにつれて、ますます高度な実験を行うことができるようになります.
さらに、二元性は双方向の道です。量子コンピューターは、量子重力について教えてくれるだけではありません。多くの強く相互作用する粒子の挙動を重力現象に関連付けることで、その挙動をよりよく理解できます。通常、強く相互作用するシステムの特定の場所に何らかの情報を刻印すると、この情報は急速に広がり、すぐに非常に読みにくくなります。しかし、明らかではない理由により、情報が最終的に再び焦点を合わせ、遠く離れた別の場所で簡単に読み取れるようになる、いくつかの興味深い状況を知っています。
二重重力言語に翻訳すると、この神秘的なプロセスははるかに理解しやすくなります。このフレームワークでは、ワームホールは空間内の 2 つの離れたポイントを接続します。刻印された情報は、ワームホールの一方の端に入ると消え、もう一方の端から出てくると再び現れます。物理学者は、複雑な現象のこのような直感的な説明を切望しており、実験家と理論家の共同の努力により、同じ種類のさらなる洞察が得られるはずです.
科学が進歩するにつれて、ますます狭い専門分野に分裂し続け、互いに相互作用しなくなるのではないかと心配することがあります.しかし、私自身の経験に基づくと、より強力な相殺傾向が見られます。知識が進歩するにつれて、さまざまな分野で研究している科学者は、互いに学ぶべきことがますます多くあることに気付きます。研究室で量子重力を調べる機会は、高エネルギー理論家の推測に後押しされていますが、凝縮物質物理学者、原子物理学者、コンピューター科学者の専門知識も大いに活用しています。これらの刺激的で深まるつながりにより、私は将来について楽観的になります.
