2020 年のノーベル物理学賞は、アインシュタインの一般相対性理論がブラック ホールを予測することを確認した 3 人の研究者に贈られました。また、私たち自身の銀河の中心には、比較的小さな空間に 400 万個の太陽に相当する超大質量ブラック ホールがあることを立証しました。ブラック ホールの理解を深めるだけでなく、超大質量ブラック ホールの周囲の強力な重力場は、極限条件下での自然を研究する実験室でもあります。新しいノーベル賞受賞者の 1 人である UCLA の Andrea Ghez を含む研究者は、強烈な重力が微細構造定数をどのように変化させるかを測定しました。微細構造定数は、物理的宇宙を定義する自然の定数の 1 つです。この場合は、その中の生命を定義します。この研究は、定数と、それらが空間と時間で変化するかどうかを理解するための他の進行中の取り組みを拡張します。希望は、素粒子の標準モデルと現在の宇宙論の問題を解決する手がかりを見つけることです.
Ghez の他に、2020 年に表彰された他のノーベル賞受賞者は、ケンブリッジ大学のロジャー ペンローズであり、ブラック ホールの理論的理解を深めました。ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク地球外物理学研究所のラインハルト・ゲンツェル。 Ghez と Genzel は並行して別々に観測と分析を行い、それぞれが銀河系の超大質量ブラック ホールの存在を推測しました。 27,000 光年離れた場所で、良好なデータを取得するには巨大な望遠鏡が必要でした。ゲズはハワイのマウナケアにあるケック天文台と協力し、ゲンゼルはチリの超大型望遠鏡を使用しました。それぞれの研究者は、彼らが観察した星の動きが、銀河の中心にある巨大な質量から生じていることを発見しました.太陽系と同じ大きさの領域で、太陽の質量の 400 万倍という同じ値が得られました。これは、超大質量ブラック ホールの決定的な証拠です。
ケックでの Ghez の研究により、Ghez は今年発表された論文の共著者になりました。この論文では、パリ天文台の Aurélien Hees と 13 人の国際的な同僚が、銀河の超大質量ブラック ホール付近の微細構造定数の結果を発表しました。驚くべきことに、この研究を裏付けるゲズのノーベル賞受賞結果は、今日の理論と天文学的手法を、ヨハネス・ケプラーとアイザック・ニュートンにさかのぼるアイデアと組み合わせて、超大質量ブラックホールの近くの星の動きを調べました。これは、ニュートンが 1675 年に書いた科学の進歩に関する洞察のもう 1 つの例です。
ドイツの天文学者ケプラーは、1609 年に惑星運動の法則を発表して科学を変えたそのような巨人の 1 人です。軌道は、楕円の焦点に太陽がある楕円であり、楕円の作成方法を定義する、中心から対称的にオフセットされた 2 つのポイントの 1 つです。ケプラーはまた、惑星の軌道の大きさと、惑星が一周するのにかかる時間との間の数学的関係を発見しました.
1687 年、ニュートンはケプラーの法則に、より深く、より首尾一貫した物理的基礎を与えました。物体間の相互引力に基づくニュートンの万有引力の法則は、質量の周りの閉じた軌道にある天体がその質量に依存する楕円軌道をたどることを示しました。この結果は、今日の天文学入門で教えられているものであり、Ghez が超大質量ブラック ホールの質量を発見した方法の核心です。彼女の長年の注意深い観察により、銀河中心を周回する星の楕円軌道が正確に定義されました。次に、彼女はニュートンの理論を使用して中心の質量を計算しました (ニュートンの法則に代わる一般相対性理論はブラック ホールを予測しますが、ニュートンのアプローチは超大質量ブラック ホールの周りの恒星軌道に対して十分に正確です)。これらの軌道の知識は、超大質量ブラック ホールの近くの強い重力の微細構造定数を測定するために重要です。その定数が重力にどのように依存するかは、標準モデルまたは一般相対性理論を修正して、現代物理学の 2 つの大きなパズルである暗黒物質と暗黒エネルギーを扱う手がかりになる可能性があります。
この特定の調査は、自然の基本的な定数のより大きな長期的な調査に適合し、それぞれが私たちの最も深い理論の範囲または規模について何かを教えてくれます.他の定数とともに、微細構造定数 (ギリシャ文字 α で表される) は、素粒子の場の量子論である標準モデルに表示されます。 α の数値は、光子と荷電粒子が電磁力を介してどの程度強く相互作用するかを定義します。この電磁力は、重力と強い核力と弱い核力と共に宇宙を制御します。その効果の中で、電磁気学は、陽子間の反発の程度と、電子が原子内でどのように振る舞うかを決定します。 αの値が私たちが知っている値と大きく異なる場合、星内の核融合が元素炭素を生成するかどうか、または原子が安定した複雑な分子を形成できるかどうかに影響を与えるでしょう.どちらも生命にとって必要であり、α が重要であるもう 1 つの理由です。
その他の定数は、その他の主要な物理理論を表しています:c 、真空中の光の速度は、相対論において重要です。 へ 、Max Planck によって導出された定数 (現在は「h-bar」または ħ と見なされます) =h /2π )、量子効果の小さなサイズを設定します。とG 、ニュートンの理論と一般相対性理論における重力定数は、天体がどのように相互作用するかを決定します。 1899 年、プランクはこれら 3 つだけを使用して、人工物ではなく自然の特性に基づく普遍的な測定システムを定義しました。このシステムは、「すべての時代、すべての文明、地球外および非人間の文明にとって」同じであると彼は書いています。
プランクは c から長さ、時間、質量の自然単位を導き出しました 、ħ 、およびG :LP =1.6 x 10 メートル、TP =5.4 x 10 秒、および MP =2.2 x 10 キログラム。小さすぎて実用的ではありませんが、概念的な重みがあります。今日の宇宙では、素粒子間の重力相互作用は弱すぎて、量子挙動に影響を与えません。しかし、ボディを小さなプランク長 LP に配置します 離れて、素粒子の直径よりも小さく、それらの重力相互作用は量子効果に匹敵するほど強くなります。これは、ビッグバンから 10 秒後の「プランク時代」を定義しています。この時代は、重力効果と量子効果が同程度の強さであり、現在の 2 つの別々の理論ではなく、量子重力の結合理論が必要とされました。
それにもかかわらず、一部の物理学者は c 、ħ 、およびG 測定単位に依存するため、真に基本的なものではありません。たとえば、c を考えてみましょう メートル単位では 299,792 km/秒ですが、英語単位では 186,282 マイル/秒です。これは、物理単位が自然に固有のものではなく、文化的な構造であることを示しています (1999 年、NASA のマーズ クライメート オービターは、2 つの科学チームがどの測定システムをチェックするのを忘れたため、致命的な墜落事故を起こしました)。もう一人は使っていた）。ただし、純粋な数値である定数は、文化間、さらには私たちと想像を絶するほど異なる測定単位を持つエイリアンの間でも完全に変換されます.
微細構造定数 α は、この有利な純度を運ぶものとして際立っています。 1916年、水素原子の単一電子が量子準位間をジャンプするときに放出または吸収される光の波長の計算に現れました。ニールス ボーアの初期の量子論は主な波長を予測しましたが、スペクトルは追加の特徴を示しました。これらを説明するために、ドイツの理論家アーノルド・ゾンマーフェルトは、水素原子の量子論に相対性理論を追加しました。彼の計算は、微細構造定数と呼ばれる量に依存していました。 ħが含まれています 、c 、および電子 e の電荷 、別の自然の定数。および誘電率 ε 0 真空の電気的性質を表しています。驚くべきことに、この奇妙なコレクションの物理単位は相殺され、純粋な数値 0.0072973525693 だけが残ります。
ゾンマーフェルトは α を単なるパラメーターとして使用しましたが、1920 年代後半に、フランスの物理学者ポール ディラックによる相対論的量子力学の高度な研究に再び登場し、イギリスの天文学者アーサー エディントンが万物の理論となることを望んでいたもので、α が再び現れたことで有名になりました。彼は、量子論と相対性理論を融合させて、宇宙の素粒子の数やその定数 α などの宇宙の特性を導き出すことを計画しました。
Eddington のアプローチの 1 つのひねりは、彼が α ではなく 1/α の量を考慮したことでした。彼の分析では、1/α は純粋な数であると同時に整数でなければならないことが示されたからです。これは、1/α =137.1 という当時の測定値と一致しており、食欲をそそるほど正確に 137 に近い値でした。エディントンの計算では代わりに 136 が得られ、関心を引くのに十分近いものでした。しかし、さらなる測定により、1/α =137.036 であることが確認されました。彼の異なる結果を正当化しようとするエディントンの試みは説得力がなく、これと他の理由で彼の理論は生き残っていません.
しかし、αと「137」はリンクされたままであるため、Richard Feynman は 137 を「マジック ナンバー」と呼びました。彼が意味したことは、数秘術とは何の関係もありません。むしろ、αの値を測定する方法は知っているが、私たちが知っている理論からそれを導き出す方法は知らないということです.これは、陽子と電子の質量の比率などの純粋な数を含む他の基本定数にも当てはまり、標準モデルには欠けています。それにもかかわらず、αの値は、電磁気学の量子理論である量子電気力学において重要です。ファインマンは、1965 年に量子電気力学を開発した他の 2 人の理論家と共にノーベル賞を受賞して以来、このことを完全に理解していました。
そのため、α は重要な自然定数の 1 つとして受け入れられています。さて、これらの量の値が正確にわかっているので、物理学者は、それらが本当に一定なのか?と尋ねます。 1937 年、宇宙の力について考察したディラックは、α と G 宇宙が老化するにつれて、時間とともに変化します。別の暗示的でさらに古い推測は、定数が宇宙全体で変化するかどうかを疑問視することです。 1543年、ポーランドの天文学者ニコラウス・コペルニクスが地球ではなく太陽を宇宙の中心に置いたとき、彼は人類を宇宙の特別な場所から移動させました。これは、宇宙がどこでも同じであることを意味しますが、これは仮定にすぎません。
「定数」を変化させると、標準モデルとそれに基づく宇宙論と一般相対性理論の両方が変化し、他の問題の中でも暗黒物質と暗黒エネルギーを説明できなくなります。宇宙は生命をサポートするために「微調整」されているという概念に α の役割を追加し、多くの多元宇宙のうち、私たちが存在するものは α の勝利の価値を持つものであるという関連する考えを追加します。これらすべてが自然の定数に関する研究に拍車をかけ、その多くは α に焦点を当てています。
地上での測定では、α が 100 億分の 1 の範囲内に固定されていることが確認されています。より困難なプロジェクトは、天文学的な距離でそれを測定することです。数十億光年離れた場所からの光が若い宇宙から私たちに到達するのに何年もかかったので、これは初期の宇宙時代の α も決定します。 1999 年以来、オーストラリアのニュー サウス ウェールズ大学のジョン ウェッブは同僚と共に、クエーサーと呼ばれる遠く離れた銀河のコアから光を集めることによって、そのような測定を行ってきました。この光は星間ガスの雲を横切り、雲の中の原子に特徴的な波長で吸収されます。波長を分析すると、水素の波長が地球上で最初に α を定義したように、離れた場所で α が得られます。
Webb の初期の結果は、α が過去 60 億年以上にわたって 0.0006 パーセント増加し、それが地球からの距離に依存していることを示していました。 2020 年に発表された結果は、宇宙がわずか 8 億歳だった 130 億年前と現在との間で α の変化が小さいことを示しており、著者らはこれを「時間変化なしで一貫している」と解釈しています。累積結果は、αが空間内のさまざまな方向に沿って変化することも示唆しています。全体として、実験誤差は大きすぎて、α の測定された単一の変化が正確に正しいという確信を抱かせることはできませんが、変化は確かに非常に小さいものです。
現在、α は強い重力場内でも測定されており、理論的には変化する可能性があります。私たちが知っている最強の重力は、宇宙船が脱出するために達成不可能な光速に到達しなければならないブラックホールから来ています。しかし、強力な重力は白色矮星も伴います。白色矮星は、その外層を追い出し、巨大ではあるが惑星サイズの核しか残していません。 2013 年、ニュー サウス ウェールズ大学の J.C. ベレンガットは Webb などと共に白色矮星のスペクトル データを分析し、地球に対する 0.004 パーセントの α の変化を得ました。
しかし、Hees と Ghez を含む共著者による今年の研究まで、誰も超大質量ブラック ホールの近くで α を測定したことはありませんでした。ケックからの彼女の結果は、その軌道が超大質量ブラック ホールに近づき、その重力効果を最大化する 5 つの星を選択するのに役立ちました。これにより、各星の吸収波長からαを導き出すことが容易になりました。最終的な複合結果は、地球と比較して 0.001 パーセント以下という、α のわずかな変化のみを示しています。
α の測定された変化は小さいですが、超大質量ブラック ホールの重力場の異なる場所にある 5 つの星の結果から、新しい結果が得られました。彼らは、αの変化が重力ポテンシャル（重力場に蓄えられたエネルギー）の変化に比例するという理論的予測の初期のテストを可能にしました。結果は、2 つの量が比例していることを確認しましたが、データの不確実性により、比例定数の大まかな推定しかサポートされませんでした。より信頼性の高い値は、暗黒物質と暗黒エネルギーを扱ういくつかの新しい理論から選択することができます.
今のところ、時間と空間、および重力下で測定された α の変化は小さすぎるか不確実であるため、物理学者を新しい理論に導くことはできず、宇宙のはるか彼方やブラック ホールの近くに生命が存在する可能性などの憶測を助長することさえできません。変化の小ささは、非常に大きなスケールでは、宇宙はどこでもほとんど同じように見えるというコペルニクスの見解を暗示していますが、より多くの測定により、意味のあるかもしれない宇宙全体に実際の、または小さな違いがあることを確認できます.
動的な宇宙では、この特定の宇宙数が一定に保たれることを知っていると、一種の慰めになるかもしれません。しかし、銀河系の超大質量ブラック ホールの近くで α の大きな変化が見られることは、新しい物理学の出発点になる可能性があります。 Hees が電子メールのインタビューで説明したように、彼の現在の目標は、ブラック ホールの重力場に深く入り込むことです。彼は、2021 年に新たに最適化された測定を実行して、「ブラック ホールに近く、したがってより強い重力ポテンシャルを経験した星を観察することを計画しています。しかし、現在の技術では、非常に近い星の良好なスペクトル観測を得るのは容易ではありません。ブラックホールへ。」それでも、彼は測定誤差を 10 分の 1 に減らすことができると信じています。
ゲズが成し遂げた世界クラスのノーベル賞の研究は、観測技術と分光技術の大幅な改善にかかっていました。この成功したプロジェクトに基づくさらなる改善により、超大質量ブラック ホールの研究が強化されることは間違いありません。これは、α におけるとらえどころのない変化と、それらが宇宙を理解する上で何を意味するかを研究するためのユニークな分野です。
シドニー・パーコウィッツは、エモリー大学物理学のチャールズ・ハワード・キャンドラー名誉教授です。彼の最新の本は Physics:A Very Short Introduction、および 本物の科学者はネクタイをしません。 彼は仕事中です 科学スケッチ。
先頭の画像:このイラストは 射手座 A* または Sgr A* として知られる天の川の中心部にある超大質量ブラック ホールでの熱狂的な活動を表しています。クレジット:ESA-C.カロー / NASA
