カーネギーメロン大学の物理学者であるギャレット・グーンは、「物理学者は極限を探るのが好きです。 「これ以上先に進めないという事実、何かが変化している、何かがあなたを妨げているという事実 - 何か興味深いことがそこで起こっています。」
何十年もの間、ブラック ホールは、物理学者が自然の極限を調査するために使用する思考実験の主要な役割を果たしてきました。これらの目に見えない球体は、物質が非常に集中し、特定の距離内にあるすべてのもの、光でさえもその重力によって閉じ込められるときに形成されます。アルバート アインシュタインは重力を時空連続体の曲線と同一視しましたが、ブラック ホールの中心近くで曲率が非常に極端になるため、アインシュタインの方程式は破れます。このように、何世代にもわたる物理学者は、真の量子的な重力の起源についての手がかりを求めてブラック ホールに注目してきました。それは、彼らの心の中で完全に明らかになり、アインシュタインのおおよその図とどこでも一致しなければなりません。
量子重力の知識のためのブラック ホールの配管は、スティーブン ホーキングによって始まりました。 1974 年、英国の物理学者は、ブラック ホールの表面の量子ジッターがブラック ホールを蒸発させ、熱を放射するにつれてゆっくりと収縮することを計算しました。それ以来、ブラック ホールの蒸発は量子重力研究に情報を提供してきました。
最近では、物理学者は極値中の極値 — 極値ブラック ホールと呼ばれる実体 — を検討し、有益な新しい問題を発見しました。
ブラックホールは、帯電した物質が落下すると帯電します。物理学者は、ブラック ホールには「極限」、つまりそのサイズに対して可能な限り多くの電荷を蓄える飽和点があると計算しています。荷電したブラック ホールが蒸発し、ホーキング博士が説明したように収縮すると、最終的にはこの極限に到達します。充電されていることを考えると、それはできる限り小さくなります。それ以上蒸発することはできません。
しかし、極端なブラック ホールが「放射を停止し、そこにとどまっている」という考えは信じがたいと、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者、グラント レムメンは述べています。その場合、遠い未来の宇宙には、小さくて破壊不可能なブラック ホールの残骸が散らばっています。ブラック ホールの残骸は、少しでも電荷を持っています。これらのブラック ホールを保護する基本原理は存在しないため、物理学者はブラック ホールが永遠に続くべきではないと考えています。
そこで、「疑問があります」とリーハイ大学のセラ・クレモニーニは言いました。
物理学者は、極端なブラック ホールが崩壊し、パラドックスを解決する必要があると強く疑っていますが、それはホーキング蒸発以外の経路によるものです。可能性を調査することで、近年、研究者は量子重力に関する主要な手がかりにたどり着きました。
2006 年に 4 人の物理学者が、極限ブラック ホールが崩壊する可能性がある場合、これは重力が考えられる宇宙で最も弱い力でなければならないことを意味することに気付きました。これは、量子重力と他の量子力との関係に関する強力な声明です。この結論により、極限ブラック ホールの運命がより精査されるようになりました。
その後、2 年前、Remmen と共同研究者であるカリフォルニア工科大学の Clifford Cheung と Junyu Liu は、極限ブラック ホールが崩壊できるかどうかは、ブラック ホールの別の重要な特性に直接依存することを発見しました。構成パーツの組み替えが可能。エントロピーは、ブラック ホールの最も研究されている特徴の 1 つですが、極限とは何の関係もないと考えられていました。 「うわー、OK、2 つのとてもクールなものがつながっているようなものです」と Cheung 氏は言いました。
最新の驚きとして、そのリンクは自然に関する一般的な事実を例示するものであることが判明しました。 3 月に Physical Review Letters に掲載された論文で 、Goon と Riccardo Penco は、エネルギーとエントロピーに関連する単純で普遍的な公式を証明することにより、以前の研究の教訓を広げました。新たに発見された公式は、ガスやブラック ホールなどの系に適用されます。
最近の計算では、「量子重力について本当に学んでいます」とグーンは言いました。 「しかしもっと興味深いのは、もっと日常的なことについて何かを学んでいるということです。」
極端なブラック ホール
物理学者は、荷電ブラック ホールが極限に達することを非常に簡単に確認します。アインシュタインの重力方程式と電磁気学の方程式を組み合わせると、ブラック ホールの電荷 Q が計算されます。 、その質量を超えることはできません、M 、両方が同じ基本単位に変換される場合。ブラック ホールの質量と電荷が一緒になって、そのサイズ (事象の地平線の半径) を決定します。一方、ブラック ホールの電荷は、事象の地平線の背後に隠された、第 2 の「内部」地平線も作成します。 As Q が増加すると、ブラック ホールの内側の地平線が拡大し、事象の地平線が Q まで収縮します。 =M 、2 つの地平線が一致します。
Q の場合 さらに大きくすると、事象の地平線の半径は実数ではなく、(負の数の平方根を含む) 複素数になります。これは非物理的です。したがって、James Clerk Maxwell の 19 世紀の電磁気学とアインシュタインの重力理論の単純なマッシュアップによると、Q =M
ブラック ホールがこの点に達すると、さらに崩壊するための簡単なオプションは、2 つの小さなブラック ホールに分割することです。しかし、このような分裂が起こるためには、エネルギー保存と電荷保存の法則により、娘オブジェクトの 1 つが最終的に質量よりも多くの電荷を持つ必要があります。 Einstein-Maxwell によれば、これは不可能です。
しかし、2006 年に Nima Arkani-Hamed、Lubos Motl、Alberto Nicolis、Cumrun Vafa が指摘したように、極端なブラック ホールが 2 つに分裂する方法はあるかもしれません。強く湾曲した小さなブラック ホールに適しています。より小さなスケールでは、重力の量子力学的特性に関連する追加の詳細がより重要になります。これらの詳細は、アインシュタイン-マクスウェル方程式の修正に寄与し、極限の予測を変更します。 4 人の物理学者は、ブラック ホールが小さければ小さいほど、補正がより重要になり、極限が Q からますます遠ざかることを示しました。 =M .
研究者はまた、補正が正しい符号 (負ではなく正) を持っている場合、小さなブラック ホールは質量よりも多くの電荷を詰めることができると指摘しました。彼らのために、Q> M これはまさに、大きな極限ブラック ホールが崩壊するために必要なものです。
もしそうなら、ブラックホールが崩壊するだけでなく、アルカニ・ハメド、モトル、ニコリス、ヴァファは、自然に関する別の事実も続くことを示した.重力は最も弱い力でなければならない.オブジェクトの電荷、Q 、重力以外の力に対する感度です。その質量、M 、重力に対する感度です。それではQ> M 2 つのうち重力が弱いことを意味します。
ブラック ホールは崩壊できるはずであるという彼らの仮定から、4 人の物理学者は、重力は実行可能な宇宙で最も弱い力であるに違いないというより広範な推測を行いました。つまり、Q を持つオブジェクト> M Q どんな種類の料金でも、常に存在します 、オブジェクトが電子のような粒子 (実際、質量よりもはるかに多くの電荷を持っている) であるか、小さなブラック ホールであるか。
この「弱い重力予想」は非常に影響力があり、量子重力に関する他の多くのアイデアを支持しています。しかし、Arkani-Hamed、Motl、Nicolis、Vafa は Q を証明しませんでした> M 、または極端なブラックホールが崩壊する可能性があります。極限に対する量子重力補正は負になる可能性があり、その場合、小さなブラック ホールは、大きなブラック ホールよりも単位質量あたりの電荷をさらに少なくすることができます。極端なブラック ホールは崩壊せず、弱い重力の予想は成立しません。
これはすべて、研究者が量子重力補正の符号が実際に何であるかを理解する必要があることを意味していました.
いたるところに障害
量子重力補正の問題は、ブラック ホール研究とは一見無関係に見える別の分野で以前に取り上げられました。
ほぼ 50 年前、故物理学者のジェイコブ・ベケンスタインとスティーブン・ホーキングは、ブラック ホールのエントロピーがその表面積に正比例することを独自に発見しました。一般に無秩序の尺度と考えられているエントロピーは、全体的な状態を変更することなく、オブジェクトの内部パーツを再配置できる方法の数を数えます。 (たとえば、部屋が散らかったり、エントロピーが高い場合、オブジェクトをランダムに移動でき、散らかったままになります。対照的に、部屋が整頓されている、またはエントロピーが低い場合、物を移動すると散らかりにくくなります。)ブラック ホールのエントロピー (内部の微視的な成分に関係する) とその幾何学的な表面積との間に橋を架けることにより、Bekenstein と Hawking のエントロピー領域の法則は、物理学者がブラック ホールと量子重力を研究するための最も強力な足がかりの 1 つになりました。
Bekenstein と Hawking は、アインシュタインの重力方程式を (熱力学の法則と共に) ブラック ホールの表面に適用することで、その法則を導き出しました。彼らはこの表面を滑らかなものとして扱い、短距離に存在する構造を無視しました。
1993 年、シカゴ大学の物理学者 Robert Wald は、もっとうまくやれる可能性があることを示しました。ウォルドは、現実のより深いレベルの完全な説明が何であるかを知らなくても、現実のより微視的なレベルから発せられる小さな効果を推測するための巧妙なトリックを発見しました.理論物理学者のケネス・ウィルソンによって別の文脈で開拓された彼の戦術は、考えられるすべての物理的効果を書き留めることでした。アインシュタインの方程式に、一連の余分な項 (すべての物理的に関連する変数で構成される適切な次元と単位を持つ任意の項) を追加する方法を Wald は示しました。これは、ブラック ホールの表面の未知の短距離特性を記述する可能性があります。 「特定のサイズの [ブラック ホール] の曲率を説明する、原則として持つことができる最も一般的な一連の用語を書き留めることができます」とクレモニーニは言いました。
幸いなことに、最初の数項の後で級数を切り捨てることができます。これは、多くの変数の複合がますます複雑になり、最終的な答えにほとんど寄与しないためです。シリーズの主要な用語の多くでさえ、対称性が間違っているか、一貫性の条件に違反しているため、取り消し線を引くことができます。これにより、アインシュタインの重力方程式を変更する重要な項がわずかに残ります。これらの新しい、より複雑な方程式を解くと、より正確なブラック ホールの特性が得られます。
Wald は 1993 年にこれらの手順を実行し、短距離の量子重力効果が Bekenstein-Hawking エントロピー領域の法則をどのように修正するかを計算しました。これらの補正により、ブラック ホールのエントロピーがシフトし、面積に正確に比例しなくなります。エントロピー シフトを完全に計算することはできませんが (未知の値を持つ変数が関係します)、明らかなことは、ブラック ホールが小さくなるほど補正が大きくなるため、エントロピー シフトも大きくなるということです。
3 年前、Cheung、Liu、Remmen は、荷電ブラック ホールと極限の研究に Wald と同じ基本的なアプローチを適用しました。彼らは、アインシュタイン・マクスウェル方程式を近距離効果から生じる一連の余分な項で修正し、新しい方程式を解いて、新しい修正された極限を計算しました。驚いたことに、彼らは答えを認識しました。ワルドの公式から計算されるように、荷電ブラック ホールの極限に対する補正は、そのエントロピーに対する補正と正確に一致します。量子重力は予期せず両方の量を同じようにシフトします.
Remmen 氏は、2017 年 11 月 30 日という計算を完了した日付を覚えています。 「これらの[余分な]項が互いに等しいエントロピーと極値のシフトを与えることは、私たちが証明した非常に深くエキサイティングなことです。」
しかし、一致するシフトは正しい方向に進んでいますか?どちらの補正も未定変数に依存するため、原則として正または負のいずれかになります。 2018 年の論文で、Cheung 氏と会社は、量子重力の大規模なクラスのシナリオとモデルでエントロピー シフトが正であると計算しました。彼らは、エントロピー シフトが正であることも直感的に理解できると主張しています。エントロピーは、ブラック ホールの考えられるすべての内部状態を測定することを思い出してください。ブラック ホールの表面のより微視的な詳細を説明することで、新たな可能性のある状態が明らかになり、したがってエントロピーが減少するのではなく増加することになるのは当然のことと思われます。 「より正確な理論には、より多くのマイクロステートが含まれるでしょう」と Remmen 氏は述べています。
もしそうなら、極限のシフトも正であり、より小さなブラックホールが質量あたりにより多くの電荷を蓄えることを可能にします.その場合、「ブラック ホールは常に軽いものに崩壊する可能性があります」と Cheung 氏は述べ、「弱い重力の予想は正しい」と述べています。
しかし、他の研究者は、これらの発見が弱い重力予想の完全な証拠にはならないと強調しています。ウィスコンシン大学マディソン校の理論物理学者 Gary Shiu 氏は、量子重力を考慮に入れるとエントロピーは常に増加するという信念は「一部の人は直観かもしれませんが、常に真実であるとは限りません」と述べています。
Shiu は反例を特定しました:量子重力の非現実的なモデルでは、相殺によって近距離効果がブラック ホールのエントロピーを減少させます。これらのモデルは因果関係やその他の原則に違反していますが、重要なのは、シウによると、エントロピーとの新たな関係が、極限ブラック ホールが常に崩壊する可能性があることや、重力が常に最も弱い力であることを証明するわけではないということです。
「[弱い重力の予想] を証明できれば素晴らしいことです」とシウは言いました。 「それが、私たちがこの問題についてまだ考えている理由の多くです。」
禁じられた沼地
重力は、宇宙の 4 つの基本的な力の中で最も弱いものです。弱い重力の予想は、そうでなければあり得なかったと言います。私たちの宇宙は別として、この予想はひも理論から導き出されたすべての可能な理論宇宙にも当てはまるようです。重力の量子論の候補であるひも理論は、粒子は点ではなく拡張されたオブジェクト (ひもと呼ばれるニックネーム) であり、時空のクローズアップにも余分な次元があると仮定しています。弦理論家が宇宙を定義する可能性のあるさまざまな弦のセットを書き留めると、重力 (一種の弦から発生する) がこれらのモデル宇宙で最も弱い力であることが常にわかります。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所およびケンブリッジ大学の物理学者であるホルヘ・サントスは、次のように述べています。
弱重力予想は、過去 20 年間に物理学者によって提起された「沼地予想」のネットワークの中で最も重要なものの 1 つです。これは、どのような種類の宇宙が可能であり、可能でないかについて、思考実験と例に基づいた推測的な声明です。可能性を排除する (不可能な宇宙を立ち入り禁止の「沼地」に置く) ことにより、沼地理論家は、なぜ私たちの宇宙がそのようになっているのかを明らかにすることを目指しています.
サントス氏によると、重力が必然的に最も弱いこと (そしてブラック ホールは常に崩壊する可能性があること) を研究者が証明できれば、最も重要な意味は、量子重力が「統一の理論でなければならない」ことを意味するということです。つまり、Q の場合 そしてM 固定比率を持たなければならず、関連する力は同じ統一された数学的フレームワークの一部でなければなりません。サントスは、単一の枠組みで基本的な力を統一する「そこにある唯一の理論」は弦理論であると指摘しました。ループ量子重力などのライバルのアプローチは、重力を他の力と接続することなく、時空を断片に分割することによって重力を量子化しようとします。 「弱い重力の予想が正しければ、ループ量子重力のようなものは死んでいます」とサントスは言いました。
ルイジアナ州立大学のループ量子重力理論家であるホルヘ・プーリンは、「死んだ」という言葉はあまりにも強い言葉だと考えています。このアプローチ自体が、より大きな統一理論の一部になる可能性があると彼は述べています。
弱い重力予想はまた、量子重力における対称性と距離の役割に関する記述を含む、他のいくつかの沼地予想を相互に補強します。 Shiu 氏によると、これらの推測の間の論理的なつながりは、「これらの陳述が推測的な意味で行われているとしても、その背後には普遍的な真実があるかもしれないという確信を与えてくれます。」
Shiu は、量子重力に関する現在の推測による理解を、初期の量子力学と比較しました。 「亜原子の世界の正しい理論とは何かについて、多くの憶測が飛び交いました」と彼は言いました。 「最終的に、これらの推測の多くは、このはるかに大きな全体像の一部であることが判明しました。」
普遍的なエネルギーと無秩序
最近の研究は、ブラック ホールや量子重力を超えた意味を持つ可能性があります。
3 月の論文で、グーンとペンコはブラック ホールのエントロピーと極値補正の計算をやり直しました。重力とブラック ホールの表面形状の言語を使用するのではなく、エネルギーや温度などの普遍的な熱力学的量の観点から純粋に補正を計算しました。これにより、自然界に一般的に適用されるエネルギーとエントロピーの間の熱力学的関係を発見することができました。
「美しい関係です」とサントスは言いました。
ブラック ホールの場合、2 人の式は、Cheung、Remmen、Liu がすでに証明したことを示しています。つまり、量子重力がブラック ホールの極限をシフトし (質量あたりの電荷をより多く蓄積できるようにする)、それに比例してエントロピーをシフトするということです。 .量子重力による追加のストレージ容量を説明する別の方法は、固定電荷のブラック ホールの質量が小さくなる可能性があることです。質量はエネルギーの一形態であるため、この質量の低下はより一般的にはエネルギーのシフトと考えることができます。これはエントロピーのシフトに反比例します。
ブラック ホールの場合、エネルギーとエントロピーの等しいシフトと反対のシフトは、未知の量子重力の詳細に由来しますが、同等の状況は、極限に近い物理システムにも存在します。
たとえば、気体は絶対零度まで冷却すると極値になります。 Goon と Penco の熱力学的公式によると、ガスを構成する原子の種類など、ガスの微視的物理学が変化すると、そのエネルギーとエントロピーが等しく反対方向に変化します。 Goon は、エネルギーとエントロピーの関係は、極低温ガスの研究やその他の極低温実験に役立つ可能性があると推測しました。
このエントロピーとエネルギーの関係が物理学の地球の領域で役立つことが判明したかどうかにかかわらず、ブラック ホールの文脈で新たに発見されたリンクと、それが重力の性質にとって何を意味するかを調査するために、研究者はまだやるべきことがたくさんあります.
「『重力はなぜ弱いのか』と答えられること」と Cheung 氏は言います。 「その質問がボード上にさえあるという事実、それが哲学の領域の外で正当に答えることができる質問であるという事実、そしてそれがエントロピーへのこの長い道のりを介して接続されているという事実、それは試行錯誤のようなものです。確かに、ブラック ホールについて最も魅力的なことは…クレイジーに思えます。」
訂正: 2020 年 6 月 15 日
この記事の以前のバージョンでは、「凝縮物質物理学者ケネス ウィルソン」に言及していました。ウィルソンは相転移の研究でノーベル賞を受賞しましたが、彼の研究は特に高エネルギー粒子理論を含む多くの分野に及びました。
この記事はに転載されました Wired.com および Spektrum.de
