控えめに言っても、量子重力理論を直接テストできる可能性は低いです。量子重力効果が現れる極小のプランク スケールを調べるには、天の川銀河と同じ大きさの粒子加速器が必要です。同様に、ブラック ホールは量子重力によって支配される特異点を保持していますが、ブラック ホールが特に近くにあるわけではありません。量子重力はビッグバンの最初の瞬間にも働いていましたが、その時代からの直接的な信号はとっくに失われており、数十万年後に最初に現れた微妙な手がかりを解読する必要があります.
しかし、パロアルト郊外の小さな研究室では、スタンフォード大学のモニカ・シュライアー・スミス教授と彼女のチームが、ブラックホールや銀河サイズの粒子加速器を使わずに量子重力をテストする別の方法を試みています.物理学者は、10 年以上にわたって、重力 (さらには時空そのもの) がエンタングルメントと呼ばれる奇妙な量子結合から発生する可能性があることを示唆してきました。 Schleier-Smith と彼女の協力者は、プロセスのリバース エンジニアリングを行っています。 Schleier-Smith は、卓上実験で高度に絡み合った量子システムを操作することで、アルバート アインシュタインの一般相対性理論によって予測された歪んだ時空のように見え、機能するものを生成したいと考えています。
6 月に投稿された論文で、彼女のチームは、このルートに沿った最初の実験的ステップを発表しました。それは、光によってトラップされた原子のシステムであり、秩序正しく接続され、磁場で細かく制御されています。適切な方法で調整された場合、このシステムの長距離相関は、創発時空の単純なモデルで見られるものと同様に、ツリー状のジオメトリを記述します。 Schleier-Smith と彼女の同僚は、この研究を発展させて、ブラック ホールを含む、より複雑な形状の類似物を作成したいと考えています。素粒子物理学または宇宙論からの新しいデータがない場合 (この状況は無期限に続く可能性があります)、これは量子重力に関する最新のアイデアをテストするための最も有望な方法である可能性があります。
完璧な予測の危険
50 年間、素粒子物理学の有力な理論である標準モデルは、ほとんど何も成功していませんでした。問題は、その成功にもかかわらず、標準モデルが明らかに不完全であるという事実にあります。一般相対性理論に代わる量子重力理論を長い間探してきたにもかかわらず、重力は含まれていません。また、宇宙の全物質の 95% を占める暗黒物質や暗黒エネルギーも説明できません。 (標準モデルは、ニュートリノに質量があるという事実にも問題があります。これは、標準モデルが予測できなかった唯一の素粒子物理現象です。)
さらに、標準モデル自体は、高エネルギーの特定のしきい値 (プランク スケールに密接に関連するしきい値) を超えると、ほぼ確実に失敗することを示しています。
物理学者は、標準モデルに代わるものを構築する際の指針となる不可解な実験データを切望しています。標準モデルに取って代わる有力な候補であるひも理論は、しばしばテスト不可能であると非難されてきました。しかし、ひも理論の最も奇妙な特徴の 1 つは、非現実的な銀河構造の偉業を必要としない、量子重力に関するいくつかのアイデアをテストする方法を示唆しています。
ひも理論は二重性、つまり同じ数学的構造を共有する異なる物理システム間の関係で満たされています。おそらく、これらの双対性の中で最も驚くべき結果をもたらすのは、等角場理論 (CFT) として知られる重力のない 4 次元の量子論と、アンチ デ シッター (AdS) スペース。この AdS/CFT 対応は、1997 年に現在高等研究所に所属する物理学者 Juan Maldacena によって最初に発見されました。
CFT は AdS 空間よりも次元が 1 つ少ないため、前者は、3 次元のリンゴの 2 次元の皮のように、後者の表面にあると考えることができます。それでも、表面の量子論は、内部のボリュームのすべての特徴を完全に捉えています。リンゴの皮を見るだけで、リンゴの内部についてすべてを知ることができるかのようです.これは、物理学者がホログラフィーと呼んでいるものの一例です。3D 画像を生成する平面ホログラムのように、低次元空間が高次元空間を生み出します。
AdS/CFT 対応では、内部または「バルク」空間は、表面上の量子コンポーネント間の関係から生じます。具体的には、バルク空間のジオメトリは、アインシュタインを悩ませた「不気味な」量子接続であるエンタングルメントから構築されています。バルクの隣接領域は、表面の高度に絡み合った部分に対応します。バルクの離れた領域は、表面のあまり絡み合っていない部分に対応します。表面に絡み合い関係の単純で整然としたセットがある場合、対応するバルク スペースは空になります。表面が無秩序で、そのすべての部分が他のすべての部分と絡み合っている場合、バルクはブラック ホールを形成します。
AdS/CFT 対応は、量子物理学と一般相対性理論との間の関係に対する深く実り多い洞察です。しかし、それは私たちが住んでいる世界を実際に説明しているわけではありません。私たちの宇宙は 5 次元のアンチ ド シッター空間ではありません。それは、「フラット」ジオメトリを備えた膨張する 4 次元空間です。
そのため、過去数年間、研究者は別のアプローチを提案してきました。バルク（私たち自身の宇宙）から始めて、それを生み出すことができる種類の量子もつれパターンを探すのではなく、別の方法で行くことができます.おそらく実験者は、表面の CFT のような興味深いもつれを持つシステムを構築し、出現する時空幾何学と重力の類似物を探すことができるでしょう。
言うは易く行うは難しです。重力双対を持つことが知られている、強く相互作用する量子システムのようなシステムを構築することはまだ不可能です。しかし、理論家は考えられるシステムのごく一部しかマッピングしていません。他の多くのシステムは複雑すぎて、既存の数学ツールで理論的に研究することはできません。これらのシステムのいずれかが実際にある種の時空間ジオメトリを生成するかどうかを確認するには、ラボでそれらを物理的に構築し、重力双対も持つかどうかを確認するしかありません。 「これらの実験的な構造は、そのようなシステムを発見するのに役立つかもしれません」と Maldacena は言いました。 「私たちが知っているものよりも単純なシステムがあるかもしれません。」そのため、量子重力理論家は、シュライアー スミスと彼女のチームのような、量子系のエンタングルメントの構築と制御の専門家に目を向けました。
量子重力と冷たい原子の出会い
「私がずっと愛してきた量子力学の理論には、本当に洗練されたものがあります」と Schleier-Smith は言いました。 「研究室に入ると、いたるところにケーブルがあり、私たちが構築しなければならなかったあらゆる種類の電子機器や真空システム、乱雑に見えるハードウェアがあることがわかります。しかし、最終的には、紙に書き留めることができるこの種の洗練された理論にうまく対応できるように、クリーンで制御されたシステムを作成できます。」
この乱雑な優雅さは、マサチューセッツ工科大学での卒業以来、シュライアー スミスの作品の特徴となっています。シュライアー スミスは、光を使って原子の集まりを特定の絡み合った状態に誘導し、これらの量子システムを使用してより正確な原子時計を構築する方法を示しました。 . MIT の後、彼女はドイツのガルヒングにあるマックス プランク量子光学研究所で数年間過ごした後、2013 年にスタンフォード大学に入学しました。数年後、当時スタンフォード大学で弦理論、量子重力に取り組んでいた理論物理学者のブライアン スウィングル氏は、および他の関連する主題は、珍しい質問で彼女に手を差し伸べました. 「私は彼女にメールを書きました。『あなたの研究室で時間を巻き戻してくれませんか?』という内容でした」 「そして彼女はそう言った。それで、私たちは話し始めました。」
Swingle は、ブラック ホールとスクランブリングとして知られる量子現象を研究するために、時間を逆行させたいと考えていました。量子スクランブリングでは、量子システムの状態に関する情報が大規模なシステム全体に急速に分散されるため、元の情報を復元することが非常に困難になります。 「ブラック ホールは情報の非常に優れたスクランブラーです」と Swingle 氏は述べています。 「彼らは情報をうまく隠しています。」物体がブラック ホールに落とされると、その物体に関する情報は宇宙の残りの部分から急速に隠蔽されます。ブラック ホールに落ちた物体に関する情報がブラック ホールによってどのように隠蔽されるか、また、その情報が単に隠されているだけなのか、それとも実際に破壊されているのかを理解することは、1970 年代以来、理論物理学の主な焦点となってきました。
AdS/CFT 対応では、バルク内のブラック ホールは、着信情報を非常に迅速にスクランブルする表面の密集したもつれの網に対応します。 Swingle は、高速スクランブリング量子システムが研究室でどのように見えるかを知りたがっていました。彼は、スクランブリングが可能な限り迅速に行われていることを確認するために、研究者は問題の量子システムを厳密に制御する必要があることに気付きました。すべての相互作用を完全に逆転させます。 Swingle 氏は次のように述べています。 「そして、それは日常的な実験ではできないことです。」しかし、Swingle は、Schleier-Smith の研究室が原子間のもつれを十分に注意深く制御して、時間が逆行しているかのようにすべての相互作用を完全に逆転できる可能性があることを知っていました。 「この素晴らしい、分離された、よく制御された、高度に設計された量子多体系があれば、チャンスがあるかもしれません」と彼は言いました。
そこで、Swingle は Schleier-Smith に連絡を取り、やりたいことを伝えました。 「彼は、このスクランブリングのプロセスがどのくらいの速度で発生するかについて、基本的な速度制限があるという推測を私に説明してくれました」と Schleier-Smith 氏は述べています。 「そして、この基本的な速度制限でスクランブルする量子システムを研究室で構築できれば、それはある種のブラックホールの類似物になるかもしれません。」彼らの会話は続き、2016 年に、Swingle と Schleier-Smith は、スタンフォード大学の別の理論家である Patrick Hayden と、当時の Schleier-Smith の大学院生の 1 人である Gregory Bentsen と共に論文を共著し、作成するための実行可能な方法を概説しました。ラボで高速量子スクランブリングを調べています。
この研究により、Schleier-Smith は、彼女の研究室で調査できる他の量子重力の問題を熟考することになりました。 「それは私に考えさせました…おそらくこれらは、他の手段では実現するのが難しい量子重力のいくつかのおもちゃのモデルを実現できるための実際には良いプラットフォームです」と彼女は言いました.彼女は、原子のペアが互いに絡み合い、各ペア自体が別のペアと絡み合い、というように一種のツリーを形成するセットアップを検討し始めました。 「実際にそれを行うのはちょっと無理に思えましたが、少なくとも、それを可能にするシステムをどのように設計するかを紙の上で想像することはできました」と彼女は言いました.しかし、これが既知の量子重力モデルに実際に対応しているかどうかはわかりませんでした。
熱心で親しみやすい Schleier-Smith は、生徒の Bentsen が発見したように、彼女の仕事に伝染する熱意を持っています。彼はスタンフォード大学で理論物理学の博士号を取得していましたが、シュライアー・スミスはなんとか彼を彼女のグループに引き込みました。 「私は彼に実験をするよう説得しましたが、彼は理論にも興味を持ち続け、部門の周りの理論家と話すのが好きでした。」彼女は自分の新しいアイデアについて Bentsen と話し合い、Bentsen はスタンフォード大学の別の理論家である Sean Hartnoll と話し合いました。ハートノルは今度は仲人を演じ、シュライアー・スミスとベンツェンをプリンストン大学の理論家であるスティーブン・ガブサーと結びつけました。 (ガブサーは後にロッククライミングの事故で亡くなりました。)
当時、Gubser は AdS/CFT 対応のひねりに取り組んでいました。物理学者が一般的に使用するおなじみの種類の数を使用するのではなく、彼は p として知られる代替数体系のセットを使用していました。 -10進数。 p の主な違い -adics と通常の「実数」は、数値のサイズを定義する方法です。 p -adics、数値のサイズはその素因数によって決定されます。 p があります -各素数の 10 進法:2 進法、3 進法、5 進法など。各 p - 進法、p の要素数が多いほど 数が小さいほど、その数は小さくなります。たとえば、2 進数では、44 には 2 の因数が 2 つあり、45 には含まれていないため、44 は 45 よりも 0 にはるかに近くなります。しかし、3-adics では逆です。 45 には 3 の因数が 2 つあるため、45 は 44 よりも 0 に近くなります。各 p -進数体系は一種の木として表現することもでき、各枝には同じ数の因数 p を持つ数が含まれます .
p の使用 -adics や Gubser らは、AdS/CFT 対応に関する驚くべき事実を発見しました。 p を使用して表面理論を書き直すと、 - 実数ではなく 10 進数の場合、バルクは一種の無限ツリーに置き換えられます。具体的には、p の構造に似た、無限の枝が有限の空間に詰め込まれたツリーです。 -10進数そのもの。 p -adics は「自然にホログラフィック」である、と Gubser は書いています。
「p の構造 [Gubser] 氏が教えてくれた 10 進数は、Monika の原子が互いに相互作用する方法を思い出させました」と Hartnoll 氏は言いました。 Gubser は、2019 年に Schleier-Smith、Bentsen などと共同で論文を執筆しました。この論文では、チームはpに似たものを取得する方法を説明しました - 実際の実験室で絡み合った原子から出現する進ツリー。計画が整い、Schleier-Smith と彼女のチームは作業に取り掛かりました。
研究室での時空構築
スタンフォードにあるシュライアー スミスの研究室は、部屋の中央にある真空チャンバーを取り囲む鏡、レンズ、光ファイバー ケーブルの密集した森です。その真空チャンバーでは、ルビジウム原子の 18 個の小さなコレクション (1 グループあたり約 10,000 個) が一列に並べられ、絶対零度よりわずかに低い温度という驚異的な低温に冷却されます。特別に調整されたレーザーと、チャンバーの端から端まで増加する磁場により、実験者はどの原子グループが相互に相関するかを選択できます。
この実験室のセットアップを使用して、シュライアー・スミスと彼女の研究グループは、隣接するグループが線の中央にあるのと同じように、線の端にある2つの原子グループを取得し、端を接続して線を1つの線に変えることができました相関の輪。次に、原子の集まりをツリー状の構造にまとめました。このすべては、原子をまったく動かさずに達成されました。相関関係の「ジオメトリ」は、原子の実際の空間ジオメトリから完全に切り離されていました。
Schleier-Smith の研究室で相互作用する原子によって形成されたツリー構造は、p の完全な実現ではありませんが、 -adic AdS/CFT は、「実験室でのホログラフィーへの第一歩」であると、Hayden 氏は述べています。 AdS/CFT 通信の創始者である Maldacena 氏も同意見です。 「私たちの主題は常に非常に理論的なものだったので、この実験との接触はおそらくより多くの疑問を提起するでしょう.」
ヘイデンは、これが未来の道だと考えています。 「私たちの宇宙での時空の出現を理解しようとする代わりに、実際に実験室でおもちゃの宇宙を作り、そこでの時空の出現を研究しましょう. 「そして、それはクレイジーなことのように聞こえますよね？マッドサイエンティストのような狂気のようなものですよね？しかし、量子重力を直接テストするよりも、実際にそれを行う方が簡単である可能性が高いと思います。」
Schleier-Smith 氏は、将来についても楽観的です。 「私たちはまだ、私たちが持っている量子状態を特徴付け、より多くの制御を得る段階にあります.でも… 何が起こるか分からないところまで行きたいです」と彼女は言いました。 「そして、システム内の相関関係を測定すると、幾何学的な記述や、そこにあるとは知らなかったホログラフィックな記述があることがわかります。それはいいですね。」
