最近、3 人の物理学者が重力の量子的性質に関する数値を計算しました。その価値を見たとき、「信じられませんでした」と、3 人のうちの 1 人である Pedro Vieira 氏は言いました。
重力の量子スケールの詳細は、物理学者が定量化する方法を通常知っているものではありませんが、トリオは、物理学の他の分野で最近衝撃を与えているアプローチを使用して問題に取り組みました。これはブートストラップと呼ばれます。
ブートストラップとは、既知の事実と互換性のあるものを見つけ出すことによって、世界に関する新しい事実を推測することです。これは、自分自身のブートストラップで自分自身を拾い上げることの科学版です。この方法で、3 人は驚くべき偶然の一致を発見しました。彼らのブートストラップ数は、超弦理論による数の予測とほぼ一致していました。重力とその他すべての基本理論の最有力候補であるひも理論は、すべての素粒子は拡大すると振動するループとひもであると考えています。
Vieira、イスラエルのテルアビブ大学の Andrea Guerrieri、およびスイス連邦工科大学ローザンヌ校の João Penedones は、Physical Review Letters で、その数と弦理論の予測との一致を報告しました。 それ以来、量子重力理論家は茶葉を読んでいます。
この結果を弦理論の新しい種類の証拠であると解釈する人もいます.このフレームワークは、仮定された弦の点のように微細であるため、実験的確認の見込みさえ欠けているフレームワークです.
カリフォルニア工科大学の理論物理学者である David Simmons-Duffin は、次のように述べています。 「そして、これはそのための素晴らしい第一歩だと思います。」
マドリッド自治大学の理論物理学研究所の理論物理学者である Irene Valenzuela 氏も同意見です。 「問題の 1 つは、ひも理論が量子重力の唯一の理論であるかどうかです」と彼女は言いました。 「これはひも理論が独特であるという線に沿っています。」
他のコメンテーターは、計算が行われた方法に関する警告を指摘して、あまりにも大胆な飛躍であると見なしました.
アインシュタイン、訂正
Vieira、Guerrieri、および Penedones が計算した数値は、$latex\alpha$ (アルファ) の可能な最小値です。大まかに言うと、$latex\alpha$ は、たとえば 2 つのグラビトン間の相互作用 (推定される重力の量子単位) を記述するために、アルバート アインシュタインの重力方程式に追加する必要がある最初で最大の数学項のサイズです。
アインシュタインの 1915 年の一般相対性理論は、物質とエネルギーによって作成された時空連続体の曲線として重力を描きます。これは、星の周りを回る惑星などの大規模な挙動を完全に表しています。しかし、物質が小さすぎる空間に詰め込まれると、一般相対性理論は短絡します。マギル大学の理論物理学者である Simon Caron-Huot 氏は、「アインシュタインの重力に対する何らかの修正が必要です」と述べています。
物理学者は、ケネス・ウィルソンとスティーブン・ワインバーグによって 1960 年代に考案されたスキームを使用して、重力の微視的な性質に関する知識の欠如をきちんと整理することができます。彼らは、近距離で重要になる可能性のある一連の可能な「修正」を一般相対性理論に追加するだけです。 2 つのグラビトンが特定の方法で相互作用する可能性を予測したいとします。相対性理論の標準的な数学用語から始めて、距離が短くなるにつれて重要になる新しい用語を追加します (関連するすべての変数をビルディング ブロックとして使用します)。これらのモックアップされた用語の先頭には、サイズを設定する $latex\alpha$、$latex\beta$、$latex\gamma$ などのラベルが付いた未知の数字が表示されます。カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所と、ブラジルのサンパウロにある国際理論物理学センターに共同で勤務している Vieira 氏は、「量子重力の理論が異なれば、そのような修正も異なるものになるでしょう」と述べています。 「したがって、これらの修正は、そのような可能性を区別するための最初の方法です。」
実際には、 $latex\alpha$ はひも理論でのみ明示的に計算されており、その場合でも非常に対称的な 10 次元の宇宙に対してのみ計算されています。イギリスのひも理論家マイケル・グリーンとその同僚は、1990 年代に、そのような世界では $latex\alpha$ が少なくとも 0.1389 でなければならないと判断しました。特定のひも状の宇宙では、より高くなる可能性があります。どれだけ高くなるかは、ストリング結合定数、またはストリングが自然に 2 つに分裂する傾向に依存します。 (この結合定数はひも理論のバージョンによって異なりますが、すべてのバージョンは M 理論と呼ばれるマスター フレームワークに統合されており、ひも結合定数は余分な 11 次元のさまざまな位置に対応しています。)
一方、代替の量子重力のアイデアは、$latex\alpha$ についての予測を行うことができないままです。また、物理学者は重力子を実際に検出できないため (重力が弱すぎるため)、量子重力理論を調査およびテストする方法として $latex\alpha$ を直接測定することはできませんでした。
そして数年前、Penedones、Vieira、および Guerrieri は、ブートストラップ法を使用して、粒子の相互作用中に発生する可能性があることを制限することについて話し始めました。彼らは最初に、パイ中間子と呼ばれる粒子にこのアプローチを適用することに成功しました。 「私たちは、OK、ここでは非常にうまく機能しているので、重力に行ってみませんか?」と言いました。ゲリエリは言った。
境界のブートストラップ
未知の可能性を制限するために受け入れられた真実を使用するトリックは、1960 年代に素粒子物理学者によって考案され、その後忘れ去られましたが、過去 10 年間に、ブートストラップが生成する傾向がある手ごわい数式を解くことができるスーパーコンピューターを使用する研究者によって素晴らしい効果をもたらしました.
Guerrieri、Vieira、および Penedones は、2 つの一貫性の条件を満たすために必要な $latex\alpha$ を特定することに着手しました。単一性として知られる最初のものは、異なる結果の確率は常に 100% になる必要があると述べています。ローレンツ不変性として知られる 2 番目の法則は、同じ物理法則がすべての観点から成立しなければならないことを示しています。
このトリオは、超対称 10D ユニバースにおけるこれら 2 つの原則によって許容される $latex\alpha$ の値の範囲を具体的に検討しました。計算がその設定で実行できるほど単純であるだけでなく (現在のところ、私たちのような 4D ユニバースの $latex\alpha$ ではそうではありません)、ブートストラップされた範囲をストリング理論の予測である $latex と比較することもできました。その 10D 設定の \alpha$ は 0.1389 以上です。
ユニタリティとローレンツ不変は、次のように 2 重力子の相互作用で発生する可能性に制約を課します:重力子が互いに接近して分散すると、それらは 2 つの重力子として離れて飛ぶか、3 つの重力子または任意の数の他の粒子に変形する可能性があります。 .近づいてくるグラビトンのエネルギーを上げていくと、2 つのグラビトンが衝突して出現する可能性が変化しますが、単一性を保つには、この確率が 100% を超えないようにする必要があります。ローレンツ不変とは、観測者がグラビトンに対してどのように動いているかに確率が依存できないことを意味し、方程式の形式を制限します。これらのルールを組み合わせることで、$latex\alpha$ が満たさなければならない複雑なブートストラップ式が生成されます。 Guerrieri、Penedones、および Vieira は、ペリメーター研究所のコンピューター クラスターをプログラムして、2 重力子相互作用をユニタリーかつローレンツ不変にする値を解決しました。
コンピューターは、$latex\alpha$ の下限を吐き出しました:0.14、100 分の 1 を与えるか取るかです。これは、超弦理論の下限 0.1389 と非常に近く、完全に一致する可能性があります。言い換えれば、ひも理論は、許可された $latex\alpha$ 値の全空間にまたがるように見えます — 少なくとも研究者がチェックした 10D の場所では。 「それは大きな驚きでした」と Vieira 氏は言いました。
10次元の偶然
数値の一致は何を意味するのでしょうか?数年前の研究でブートストラップの復活を後押しした Simmons-Duffin 氏によると、「彼らは根本的かつ重要な問題に取り組もうとしている。つまり、私たちが知っている弦理論は、量子重力のすべての可能な理論の空間をどの程度カバーしていますか?」
ひも理論は、中間子と呼ばれる複合粒子を結合するひも状の接着剤の推定図として 1960 年代に登場しました。その目的のために別の説明が一般的になりましたが、数年後、人々はひも理論がその目標をより高く設定できることに気付きました.ひもが小さければ、つまり点のように見えるほど小さければ、自然の基本的な構成要素として機能する可能性があります。電子、光子などはすべて、さまざまな方法でかき鳴らされた同じ種類の基本的なストリングです。この理論のセールス ポイントは、重力を量子的に説明できることです。グラビトンは、エネルギーが最も低い振動モードでは閉じた紐またはループであり、ループ内を時計回りと反時計回りに同数の波が移動します。この特徴は、重力波のコルク抜きパターンの分極のような重力の巨視的特性の根底にあると考えられます。
しかし、理論を現実の他のすべての側面に一致させるには、多少の手間がかかります。非物理的な超光速粒子に対応する負のエネルギーを取り除くために、ストリング理論では超対称性と呼ばれる特性が必要です。これにより、ストリングの振動モードの数が 2 倍になります。物質粒子に対応するすべての振動モードには、力粒子を意味する別のモードが付属している必要があります。ひも理論では、ひもが小刻みに動くための 10 の時空次元の存在も必要とします。しかし、超対称パートナー粒子は見つかっておらず、私たちの宇宙は空間の 3 つの次元と時間の 1 つの次元を持つ 4D に見えます。これらのデータ ポイントは両方とも、何らかの問題を引き起こします。
超弦理論が私たちの世界を説明するなら、超対称性はここで破られなければなりません。つまり、パートナー粒子が存在する場合、既知の粒子セットよりもはるかに重くなければならず、実験で集めるには重すぎます。そして、本当に 10 次元があるとすれば、6 次元は私たちには認識できないほど小さく丸まっている必要があります。つまり、空間の任意の点に入ることができる余分な方向のきつい小さな結び目です。 4D に見える宇宙のこれらの「コンパクト化された」次元には、無数の可能な配置があり、すべて文字列 (および $latex\alpha$ などの数値) に異なる影響を与えます。
超対称性の破れと目に見えない次元により、多くの量子重力研究者は、代替の糸くずのないアイデアを探したり、好むようになりました。しかし、これまでのところ、競合するアプローチは、ひも理論で可能な重力子相互作用などに関する具体的な計算を行うのに苦労しています。
一部の物理学者は、ひも理論が、論理的に一貫した唯一の微視的な重力の説明であることにより、デフォルトで心と心を勝ち取ることを望んでいます。研究者が「弦の普遍性」と呼ばれることもある — 自然界の実行可能な基本理論の中の弦理論の独占 — を証明できれば、隠された次元と弦の聞こえないオーケストラを信じざるを得なくなります.
ひも理論の支持者にとって、新しいブートストラップ計算はひもの普遍性を最終的に証明する道を切り開き、その旅は爆音のスタートを切ります。
他の研究者は、これらの意味に同意しません。南デンマーク大学とハイデルベルク大学の理論物理学者で、漸近的に安全な量子重力と呼ばれる厳密でないアプローチを専門とする Astrid Eichhorn は、次のように語っています。これは、「少なくともこれまでのところ、私たちの世界を最もよく説明している」ためです。
Eichhorn は、10D では意味をなさない 4D のグラビトンのユニタリでローレンツ不変の記述があるかもしれないと指摘しました。 「単純に、この設定の選択によって、実行可能な代替の量子重力アプローチを除外できた可能性があります」と彼女は言いました.
Vieira は、弦の普遍性が 10 次元でのみ成り立つ可能性があることを認め、「超対称性を備えた 10 次元では弦理論のみが存在し、4 次元に進むと多くの理論が存在する可能性があります」と述べています。しかし、彼は「それは疑わしい」と言いました。
しかし、別の批判として、弦理論が、研究者が調査した 10 次元の設定で許可された $latex\alpha$ 値の範囲を飽和させたとしても、他の理論が許可された範囲内にあることを止められないというものがあります。インペリアル・カレッジ・ロンドンのアンドリュー・トーリーは、次のように述べています。
まだ始まったばかり
ブートストラッパーが同様の結果を一般化し、より多くの設定に拡張できる場合、偶然の意味の評価が容易になります。 「現時点では、非常に多くの人々がこれらのアイデアをさまざまなバリエーションで追求しています」と、ヨーロッパの素粒子物理研究所である CERN の理論物理学者である Alexander Zhiboedov 氏は述べています。
Guerrieri、Penedones、および Vieira は、「デュアル」ブートストラップ計算を既に完了しています。これは、実行可能な $latex\alpha$ 値を境界より上で解くのではなく、最小値よりも小さい解を除外することによって、$latex\alpha$ を下から制限します。以前。この二重計算は、彼らのコンピューター クラスターが、許容されるより小さな $latex\alpha$ 値を単純に見逃していないことを示しています。これは、ひも理論の範囲外の実行可能な量子重力理論に対応するものです。
彼らはまた、9つの大きな次元を持つ世界の下限をブートストラップすることを計画しています.この場合、ひも理論の計算はまだある程度制御されています（1つの次元だけが丸くなっているため）. $latex\alpha$ のほかに、ブートストラッパーは $latex\beta$ と $latex\gamma$ (2 番目と 3 番目に大きい量子重力補正の許容サイズ) を計算することも目指しており、より難しい計算にアプローチする方法についてのアイデアを持っています。超対称性が破られている、または存在しない世界については、実際にはそうであるように見えます。このようにして、彼らは許可された量子重力理論の空間を切り開き、その過程で文字列の普遍性をテストしようとします.
インペリアル カレッジの理論家である Claudia de Rham は、「不可知論者」である必要があることを強調し、ブートストラップの原則は単なる弦理論以外のアイデアを探求するのに役立つと指摘しました。彼女とトーリーは、確率が常に正であるという規則である陽性性を使用して、超弦理論の実現である場合とそうでない場合がある、巨大重力と呼ばれる理論を制約しました。彼らは潜在的にテスト可能な結果を発見し、特定のエキゾチックな粒子が存在する場合にのみ、大規模な重力が陽性を満たすことを示しました。 De Rham は、ブートストラップの原理と正の境界を、基礎物理学における「現時点で最もエキサイティングな研究開発の 1 つ」と見なしています。
「私たちが知っていることすべてを取り入れ、一貫性を保ち、それをまとめるというこの仕事をした人は誰もいません」と Zhiboedov 氏は述べています。理論家が「非常に基本的なレベルで」やるべき仕事を持っていることは「エキサイティング」だと彼は付け加えた.
編集者注:Penedones と Vieira は、Simons Foundation が支援する研究プログラムである Nonperturbative Bootstrap に関する Simons Collaboration のメンバーであり、これにも資金を提供しています 編集的に独立した雑誌 .シモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの報道に影響を与えません.
