2 つのブラック ホールが衝突すると、巨大な衝突が宇宙の構造そのものに波紋を広げます。物理学者は、アルバート アインシュタインの重力理論を使用して、これらの重力波が地球を通過するときの大まかな輪郭を予測しており、LIGO および Virgo 重力波検出器によって次の波が確認されています。しかし、物理学者たちは、アインシュタインのとげのある方程式を使用して、考えられるすべての残響の超精密な形状を抽出しようとして、もがき始めています。これらの現在知ることができない詳細は、次世代の天文台が拾うべき細かい波紋を完全に理解するために不可欠です.
しかし、一見ありそうもない方向から救済がもたらされている可能性があります。
ここ数年、量子粒子の不可解な挙動を専門とする物理学者は、数学的機械をブラック ホールに向けてきました。ブラック ホールは、遠くから見ると粒子に似ています。最近、いくつかのグループが驚くべき発見をしました。彼らは、重力 (または電磁波) 波の挙動が、その無数の粒子の 1 つだけの作用によって完全にわかることを示しました。あたかも 1 つの水分子を調べた後、津波の正確なシルエットを知ることができるかのように.
ペンシルバニア州立大学の理論物理学者で、この研究には関わっていない Radu Roiban は、「私はそれが可能だとは思っていませんでした。そして、私はまだ頭を悩ませています」と述べています。
この結果は、将来の研究者が、将来の天文台が記録する時空におけるより鋭い震えを解釈するのに役立つ可能性があります。それらはまた、量子粒子の理論がより大きな現実のレベルで起こっている出来事をどのように捉えるかを理解するための次のステップを示しています.
「これらの量子アイデアと現実世界との正確な関係は何ですか?それが[彼らの研究]の目的です」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のボーミック理論物理学研究所の理論素粒子物理学者であるZvi Bernは述べています。 「以前よりもはるかによく理解できるようになりました。」
量子チートコード
原則として、ほとんどの物理学者は、量子方程式が大きな物体も扱えると期待しています。結局のところ、私たちは大部分が電子とクォークの雲です。ただし、実際には、ニュートンの法則で十分です。砲弾の弧を計算している場合、電子から始めるのは意味がありません。
「『量子論を考えて、その問題を解いて、古典物理学を抽出しよう』と言って、正気の人間は誰もやろうとはしないだろう」とベルンは言った。 「それはばかげているでしょう。」
しかし、重力波天文学は、物理学者に必死の対策を検討するよう駆り立てています。 2 つのブラック ホールが互いにらせん状に衝突して衝突するとき、結果として生じる時空の攪拌の形状は、それらの質量、スピン、およびその他の特性に依存します。重力波施設で感じられる宇宙のうねりを完全に理解するために、物理学者はさまざまなブラックホールの組み合わせが時空をどのように揺らすかを事前に計算します。アインシュタインの一般相対性理論の方程式は複雑すぎて正確に解くことができないため、LIGO/Virgo の波形の一部は正確なスーパーコンピューター シミュレーションから得られました。中には1か月かかるものもあります。 LIGO と Virgo のコラボレーションは、シミュレーションやその他のより迅速だが大雑把な方法からまとめられた、何十万もの波形のコレクションに依存しています。
素粒子物理学者は、少なくとも場合によっては、より迅速かつ正確な結果を得ることができると信じています。ズームアウトした視点から見ると、ブラック ホールは巨大な粒子のように見えます。物理学者は、粒子が真空中でぶつかるとどうなるかについて何十年も考えてきました。
「何年にもわたって、重力での量子散乱が非常に得意になりました」とベルンは言いました。 「私たちは、これらの非常に複雑な計算を可能にする素晴らしいツールをすべて持っています。」
取引の主なツールは、量子イベントのオッズを与える数式である振幅として知られています。たとえば、「4 ポイント」の振幅は、入ってくる 2 つの粒子と出ていく 2 つの粒子を表します。近年、ベルンと他の理論家は、巨大で古典的なブラック ホールの動きに 4 点量子振幅を適用し、最先端の波形計算の特定の部分の精度に匹敵し、場合によってはそれを上回りました。
マックス・プランク重力物理学研究所所長で、重力波の形状の予測を専門とする受賞歴のある理論家であるアレッサンドラ・ブオナンノ氏は、「これらの人々の進化の速さは驚くべきものです。 「彼らは本当にこれを推進しています。」
オールインワン
古典物理学者が振幅を避けてきたのには、正当な理由があります。それらは無限に満ちています。 4 点関数 (2 つの粒子が入って 2 つが出てくる) で記述される衝突でさえ、一時的に任意の数の短命の粒子を生成できます。計算で考慮されるこれらの一時的な粒子が多いほど、より多くの「ループ」があると言われ、より正確になります。
ひどくなる。 4 点関数は無限の数の可能なループを持つことができます。しかし、2 つのブラック ホールが結合する場合、4 点関数だけが可能性ではありません。研究者は、5 点関数 (放射線の 1 つの粒子を放出する衝突) や 6 点関数 (2 つの粒子を生成する衝突) なども考慮する必要があります。重力波は、無限の数の「グラビトン」粒子の集まりと考えることができ、理想的な計算はそれらすべてをカバーします — 無限の数の関数と、それぞれに無限のループがあります.
この無限の幅と深さの量子干し草の山で、振幅研究者は波の形状に寄与する古典的な針を特定する必要があります。
イェール大学のウォルター ゴールドバーガーとカリフォルニア工科大学のアレクサンダー リッジウェイが 2017 年に、一種の電荷を持つ 2 つの衝突物体から放出される古典的な放射を研究したときに、1 つの手がかりが浮かび上がりました。彼らは、重力と他の力 (ダブル コピーとして知られている) の間の興味深い関係からインスピレーションを得て、それを使用して帯電した物体をブラック ホールの類似物に変えました。彼らは外側に転がる波の形を計算し、驚くほど単純で驚くほど量子的な式を見つけました。
エジンバラ大学の理論家であるドナル・オコンネルは、「いくつかの用語については、目をつぶらなければならない」と語った。 「しかし、彼らが計算したのは 5 ポイントの振幅だったように見えました。」
興味をそそられたオコンネルと彼の協力者たちは、さらに調べました。彼らはまず、一般的な量子フレームワークを使用して、2 つの大きな古典的な物体間の衝突の単純な特性を計算しました。その後、2021 年 7 月に、このアプローチを拡張して特定の古典的な波の特性を計算し、5 点振幅が実際にこの仕事に適したツールであることを確認しました。
研究者たちは干し草の山に予想外のパターンがあることを発見しました。古典的な波動を研究するのに、無数の振幅は必要ないことがわかりました。代わりに、放射の 1 つの粒子のみを含む 5 ポイントの振幅で停止することができます。
「この 5 ポイントの振幅はまさに問題です」と O'Connell 氏は述べています。 「波を構成する各重力子または各光子は、別の重力子があるという事実を気にしません。」
さらなる計算により、5 点振幅が古典の世界について知る必要があるすべてを教えてくれる理由が明らかになりました。
量子結果には 2 つの決定的な特徴があります。彼らには不確実性が焼き付けられています。たとえば、電子はぼやけた雲に広がります。さらに、シュレディンガーの方程式など、それらを記述する方程式は、プランク定数として知られる自然定数を特徴としています。
地球を波打つ重力波などの古典的なシステムは、完全に鮮明であり、プランク定数がほとんど見えない状態で説明できます。これらの特性は、オコンネルのグループに、どの振幅のどの部分が古典的であったかを判断するためのリトマス試験紙を与えました。それらには不確実性があってはならず、最終的な説明にプランク定数があってはなりません。グループは、最も単純な 5 点振幅には 2 つの「断片」があり、1 つはプランク定数を持ち、もう 1 つは持たないことを発見しました。最初のフラグメントは、安全に無視できる量子ピースでした。 2 つ目は古典的な放射で、重力波天文学に役立つ部分です。
次に、ループのない 6 点振幅、つまり 2 つの放射線粒子の放出に注意を向けました。 2 つの放射粒子を持つことは場を 2 回測定するようなものであるため、この振幅は波の不確実性を示します。プランク定数が随所に散りばめられているため、一見したところ振幅の解釈が困難でした。
しかし、結果を詳細に計算すると、プランク定数を持つ項の多くが互いに相殺されました。最終的に、オコンネルと彼の共同研究者は、6 点の不確実性も古典的な断片と量子的な断片に分類されることを発見しました。古典的な不確実性はゼロであることが判明しました。そして、量子部分はそうではありませんでした。言い換えれば、6 点振幅には古典的な情報がまったく含まれていませんでした。振り返ってみると、結果はやや避けられないように思えました。しかし、断片を詳細に調査する前に、研究者は単純に、6 ポイントの振幅にはまだ微妙な古典的な意味があるかもしれないと予想していました。
「これは純粋な量子です。それは少なくとも私にとっては少しショッキングでした」とオコンネルは言いました.
オコンネルは、電磁気学に関連する力を研究していました。結果が重力にも当てはまるかどうかを確認するために、トリニティ カレッジ ダブリンのルース ブリット氏らは、さまざまな技術的ショートカットを使用して、2 つの巨大な粒子のループなしの 6 点振幅を計算しました。彼らは、それにも古典的な内容がないことを発見しました.
「計算を行うまでは信じがたいことです」と、同じくトリニティ カレッジ ダブリンのリカルド ゴンゾ (Riccardo Gonzo) は言いました。
同様の論理により、研究者はより高いループでは、5 つ以上のポイントを持つすべての振幅はすべて量子であり、したがって無視できるか、または既知の振幅のより単純な関数として表現できると期待するようになります。不確実な関係の果てしないパレードは、それを保証します.
「期待されるのは、場の量子論が古典物理学を説明しているということです」とロイバンは言いました。 「一部の州では不確実性がゼロであるため、このようにしてそれが行われていることが判明しました。」
要するに、古典波は研究者が恐れていたよりも量子力学の言語で記述する方が簡単だということです。 「重力波、またはあらゆる種類の波は、大きくてゆるいものです。多くのささいなことに依存する必要があります」と Roiban 氏は述べています。しかし、「衝突と最終状態での 1 つの光子または 1 つの重力子が分かれば、すべてがわかります。」
合併への波及
LIGO/Virgo が重力波を拾うとき、信号は 10% ものノイズになります。宇宙ベースの LISA などの将来の検出器は、時空の波紋を 99% 以上の忠実度で記録する可能性があります。その鮮明さのレベルでは、研究者は重力波が中性子星の合体の硬さなどの豊富な情報を明らかにすることを期待しています。量子振幅を使用して波の形状を予測する最近の進歩により、研究者がその情報を解き明かすことができるようになるという期待が高まっています.
ブオナンノ氏は、「これが本当なら、それは素晴らしいことです。最終的には計算が簡単になると思いますが、様子を見る必要があります。」
しかし今のところ、振幅から実際の天体物理波形を計算することは野心的なプロジェクトのままです。 4 点と 5 点の振幅は、ブラック ホールが「分散」したり、互いにスリング ショットしたりしたときに何が起こるかを捉えており、現在、この手法を外挿して、ブラック ホールが回転しない単純な合体を理解することができます。しかし、現在の状態では、これらの振幅は、重力波天文台が検出するより複雑な合体を完全に説明するのに苦労しています。振幅の研究者は、方法を微調整して、さまざまな合併の現実的な波形を計算できると信じていますが、まだ行っていません.
重力波を超えて、研究の一般的な性質は、不確実性原理が量子干し草の山を組織化する方法が、量子理論の他の分野で役立つことを証明できることを示唆しています。振幅間の関係の無限の配列により、独立したクロスチェックが可能になり、たとえば、数か月かかる計算に貴重なガイダンスが提供されます。そしてそれは、私たちのマクロな世界を説明できる量子論とそうでないものを区別するための鋭いテストとして役立つかもしれません.
「以前は直感でした」とロイバンは言いました。 「今は明確な基準です。これは計算であり、計算で議論するのは困難です。」
