物理学で最も厄介なトピックのいくつかは、量子論を中心に展開しています。困惑は、シュレーディンガーの猫の質問とブラック ホールの蒸発における情報損失の問題で最も有名に見られます。リチャード・ファインマンは、「量子力学を理解している人は誰もいないと言っても差し支えないと思います」と述べています。ほとんどの物理学者は、それに慣れてきたばかりです。量子論が実用レベルで成功していることは間違いありません。しかし、これを実験室での実験結果の可能性を計算するためのツール以上のものと見なし、それを「そこにある世界」の基本的な説明と見なすと、深刻な概念上の問題に直面します.
基本的な問題は、量子論が私たちが測定するものに関するものであるように思われることです 世界に何があるかについてではありません .理論は世界に関する「私たちの情報」を表すだけなので、これで問題ないと思う人もいるかもしれません。しかし、それは、一般的な状況では、理論によって指定されなければならない、私たちが知ることができる何かが世界についてある場合にのみ意味があります.この概念的な問題に対処する方法を理解するには、理論をより詳細に検討する必要があります。
量子論によれば、システムの一般的な状態 (粒子の位置または速度) には明確な値がありません。その不確定性は「量子の不確実性」として知られ、残念ながら「量子ゆらぎ」としても知られています。標準的な教科書で提示されている量子論には、物理システムの状態の進化に関する 2 つの異なる規則が含まれています。 Roger Penrose が言及した 1 つは、U プロセスです。これはシュレディンガー方程式で表され、現在のシステムの状態を考慮して、将来のシステムの状態 (決定論的予測) または過去の時間 (完全な遡及) を正確に決定できます。しかし、このルールは、システムが「観察」を受けない限り有効です。
システムのいくつかの属性が観察または測定されるときに作用する 2 番目のルールは確率的ルールであり、ペンローズは R プロセスと呼んでいます。この規則に従って、測定の結果、状態は、問題の属性が明確に定義された値を持つ状態の 1 つにジャンプします。この規則では、一般に、どの状態になるかを正確に予測することも、測定または観察の前の状態を遡ることもできません。それを使用して、確率を正確に予測し、実験の多数の繰り返しから得られる平均値、および結果の統計的分散、数値が次のレベルと一致する量を予測できます。上記の不確定性.
問題の 1 つは、誰も見ていないときの世界の性質について量子論が何を主張しているかに関して、(控えめに言っても) あいまいであることです。理論が理にかなっているためには、意識の関与が必要ですか? もしそうなら、それにはマウスやハエが含まれますか?特に、測定を構成するものの仕様は取り返しのつかないほどあいまいです。おそらく、必要なのは十分な大きさの装置だけです。しかし、十分な大きさは何ですか？そして、境界で何が起こりますか？これらの問題は、測定の問題と呼ばれます。このような概念上の困難は、通常、実践物理学者によって無視されます。
1 つの例外は、David Bohm によって提供されます。彼は、点のような粒子が常に明確な位置と速度を持ち、量子状態がそれらを単に導くという、理論の異なる特徴付けを与える提案 (元は Louis de Broglie によって考えられていた) を再発見しました。彼らの時間の進化において（そして猫は決して同時に死んで生きていることはありません）.別の注目すべき例外は、U プロセスと R プロセスを単一の法則に統合し、基本的なレベルで「測定」の概念を導入する必要性を排除するという理論の修正の支持者によって例示されています。その場合、シュレディンガーの不幸なペットは、たとえ誰も見ていないとしても、死んでいるか生きているかのどちらかでしょう.
このアプローチは、「自然崩壊」理論の基礎を形成しました。この理論は、空間と時間全体ですべての粒子に自発的に発生する R プロセスのミニチュア バージョンのコレクションに似たものを呼び出すことを特徴としています。つまり、測定を行う必要はありません。さらにフロンティアには多世界理論 (Hugh Everett によって開拓された) があり、そこではすべての測定値が、平行に共存する世界のようなものへの現実の分岐 (または多分岐) に関連付けられています。
注意深い分析は、これらが本質的に問題に対処するために取られるかもしれない 3 つの論理的な手段であることを示しています:測定のようなイベントを常に発生させることによる理論の進化 (自発的な崩壊理論のように)、または R プロセスを完全に削除する (多世界パスを下る)。
多くの量子物理学者は、この問題全体、またはそれに関して取るアプローチは、彼らの分野の課題とは無関係であると確信しています。私は、少数の同僚の中で、劇的に異なる見解を持っており、宇宙の法則、特にそのような状況についての現在の理解が直面している最も深刻な困難のいくつかに対処するには、自然崩壊が最も有望な方法であると主張しています。重力と量子論を一緒に使用する必要があります。
私たちが一般的に理解している宇宙論の中心的な特徴は、インフレーションとして知られる時代であり、プランク時代の後の最初の数分の一で起こったと考えられており、それ自体が神秘的な体制です。プランク時代では、量子重力が支配するはずであり、時空自体の概念はおそらく関連性や有用性を失うでしょう. (量子重力とは、一般相対性理論の基本原理、最高の重力理論、および量子理論を調和的に組み合わせた理論を指します。) このインフレーション体制では、時空の通常の概念で十分であると考えられています。しかし、さらに、重力は一般相対性理論によってよく説明されると考えられており、物質は通常の素粒子物理学の状況 (CERN のような場所や高エネルギー宇宙線の研究で経験的に調査されたものなど) で使用するのと同じタイプの理論によって説明されます。 ).
主な違いは、インフレ時代に支配的であると考えられていたタイプの物質が、インフレトンとして知られる分野であるということです。これは電磁場に少し似ていますが、本質的な方向性やスピンがないため、はるかに単純です。その時代の主な特徴は、宇宙がインフレトン場の重力効果の結果として、非常に速く加速された方法で膨張することです（少なくとも100万兆倍の総膨張係数、つまり、 10の）。その結果、宇宙の空間曲率はゼロに追いやられ、完全な均一性と等方性からのすべての偏差は完全に希釈されます (残りの偏差は 10 のオーダーであり、非常に小さいため、簡単にするためにゼロとします)。 .
インフレーションの時代は、インフレトン場が崩壊し、今日私たちが宇宙で見つけたすべての物質で宇宙を満たすときに終わります。あなた、あなたが座っている椅子、太陽系が作られている通常の物質です。 CERNのような強力な粒子加速器を使用して、ほんの一瞬で生成できる、もう少しエキゾチックな種類の物質。そして、銀河や銀河団の圧倒的な部分を構成していると思われるとらえどころのない暗黒物質でさえ.言い換えれば、インフレ時代の終わりは、古い伝統的で経験的に成功したビッグバン宇宙論によって記述されたレジームにつながると考えられており、あらゆる種類の粒子で構成された非常に高温のプラズマで満たされた膨張する宇宙を説明しています。存在量は基本的に熱力学的考察によって支配されます。宇宙は膨張するにつれて冷却され、軽い原子核が形成され (温度が約 10 億ケルビンに低下したとき)、さらにその後、最初の原子が形成されました (約 3,000 ケルビン)。この後期段階では、宇宙マイクロ波背景放射に対応する光子が放出されます。
宇宙マイクロ波背景放射の温度パターンのわずかな変化の中に、現在の宇宙を構成する銀河、星、惑星を構成するために現在まで成長し続ける、均一性と等方性からの原始偏差の痕跡を見ることができます。 .要点は、宇宙はかなり長い間、均質でも等方的でもなかったし、そうでもなかったということです。一方、インフレーションによると、宇宙の激しい膨張は、すべての不均一性 (異なる場所間の条件の違い) と異方性 (異なる方向間の違い) を完全に薄めました。その状況は、完全に均一で等方的な状態の時空とインフレトン フィールドの観点から記述されます。
すべての宇宙構造の形成につながった不均一性と、宇宙のマイクロ波背景放射に見られるその痕跡はどこから来るのでしょうか?現在の宇宙論の正統性によれば、それらはインフレ時代のインフレトンと時空計量の「量子変動」から生じた。実際、インフレーションは、いわゆるバンチ・デイヴィスの真空である、インフレーション時代における場の量子状態の処方箋と一緒に来ます。その状態は、平らな時空における真空状態と同様に、100% 均一で等方性であるという特性を持っていますが、その量子的不確実性には、現在の宇宙の不均一性の種が潜んでいると考えるべきです。
ほとんどの宇宙論者は、「量子の不確定性」と「統計的分散」を簡単に交換するため、ここで問題を認識していません (揺らぎという言葉が両方の文脈で使用されているという事実によって、しばしば曖昧な概念エラーになります)。しかし、その見解は、測定が含まれている場合にのみ正当化されます。要点は、R プロセスに従って、測定によって実際にシステムの状態が変化し、最初の状態のように均質でも等方性でもない状態になる可能性があるということです。
しかし、銀河、惑星、意識のある存在が形成されるずっと前の初期の宇宙では、何を測定値と見なすことができるでしょうか?一部の宇宙論者は、今日、人工衛星を使って必要な測定を行っていると答えるでしょう。このような姿勢がいかに問題であるかは、少し考えてみればわかります。私たちの測定装置は、銀河、星、惑星を含む宇宙構造の形成につながった変化である、初期の宇宙に広がっていた完全な均質性の崩壊に責任があります。 、そしてそれは、生命と（自称「知的な」）私たちのような生き物が可能になる条件の出現に必要でした！私たちは、部分的には、私たち自身の存在の原因になるでしょう! 「私は自分のおじいちゃん」という古いカントリー ソングを思い出さずにはいられません。
おじいちゃんの問題に対処するための既存の道筋を検討した後、Alejandro Perez、Hanno Sahlmman と私は、新しい要素をミックスに追加することを提案しました。それは、インフレトン場の量子状態の自発的な崩壊です。これは R プロセスのバージョンであり、常に発生しており、一般に場の量子状態に小さなランダムな変化を引き起こします。そのようなプロセスのランダム性は、観測者や測定装置を呼び出すことなく、初期宇宙における均一性と等方性の崩壊を説明することができます.さらに、自然崩壊がいくつかの単純な要件を満たしていれば、これらの不均一性に関する結果として得られる予測は、宇宙マイクロ波背景放射で見られる温度変化の分布の特徴を再現することができます。
当初、新しいアプローチは、標準的な予測からの重要な逸脱にはつながらないように思われました。しかし、予測が劇的に異なるストーリーの側面が少なくとも 1 つあります。標準的な扱いによれば、宇宙の物質密度の不均一性の生成に関する予測は、いわゆる原始重力波の生成に関する同様の予測と不可分に結びついていることがわかります。これらは、検出器LIGOとVIRGOによるブラックホールおよび/または中性子星の衝突から生じる非常に壮観に検出された重力波に似ています。しかし、それらとは異なり、原始的なものは現在非常に微弱であるため、それらの存在は、宇宙マイクロ波背景放射の偏光における特定のタイプの異方性でのみ検出可能であると予想されます.
それらはインフレーションの正しさを確認する主な可能性があると見なされているため、それらの検索は熱心に行われてきました。これまでのところ、それらが検出されていないという事実は、インフレーション宇宙論における深刻な問題と見なされており、最も単純で最も魅力的なモデルは、予想される検出の失敗によってすでに除外されています.私たちのアプローチに従うと、原始重力波の生成に関する予測は劇的に減少するため、現在の方法や検出器の感度では検出できなくなります。計算によると、感度が大幅に向上し、空の非常に小さな角度スケールから非常に大きな角度スケールに焦点を変更した場合にのみ検出可能である可能性があります (2 つの残念なことに、行うのはかなり困難です)。このように、非常に予想外に、そして私たちが直面しようとしたタイプの概念的考察の結果として、インフレーション宇宙論の具体的な予測は劇的に変化し、新しいものは既存の経験的証拠によりよく一致しました.
量子論の概念的な難しさは、ブラック ホールの話題にも結びついています。一般相対性理論では、ブラック ホールが形成されると、その内部に特異点 (幾何学的な量が名目上無限大の値を取得する領域) が発生し、その領域に近づくにつれて曲率が発散することが予測されます。そのような特異点の性質は、さらにエキゾチックなオブジェクトの出現、または他の宇宙へのポータルでさえあるという考えを含む、野生の憶測を引き起こしました.しかし、それらが実際に示しているのは、一般相対性理論が適用できない体制の存在です。 (あまりエキサイティングではありません。申し訳ありません。)
つまり、一般相対性理論に依存したい場合は、それらの特異点が現れるはずの領域を除外する境界までのみに依存する必要があります.
物理学者は一般に、私たちの現在の理論は、一般相対性理論と量子力学の両方をカプセル化し、滑らかで自己矛盾のない方法で結合したより深い理論、つまり量子重力理論に取って代わられるべきだと確信しています。このような量子重力は、これらの特異点を「治す」ことが期待されており、ブラック ホールに関する議論に境界を含める必要がなくなります。最も投機的でない概念には、他の宇宙へのポータルや、その代わりに出現する非常にエキゾチックなオブジェクトなどは含まれません。
物理学者ジェイコブ・ベッケンシュタインによって最初に指摘されたそれらの特徴の 1 つは、基本的な手がかりとして採用されたもので、外部とのエネルギー交換が熱力学の法則と同じように見える法則によって支配されていることです。特に、スティーブン・ホーキングによって示されているように、それらは熱放射の放出によってエネルギーを失い、領域をカバーするために必要なプランクの長さ側の各「タイル」に対してボルツマン定数 (すべての熱力学で遍在) によって与えられるエントロピーを持っています。ブラックホールの。物理学者が量子重力理論の構築に向けてさまざまなアプローチを検討し始めたため、これは過去数十年にわたって強い関心を集めてきました。確かに、そのような理論はブラック ホールのエントロピーの式を説明できるはずです。そして、比較的短い時間で、わずかに異なるが常に限られたコンテキスト内で、量子重力の支持者は、正しい答えを思いついた説明をすぐに見つけました.
しかし、ホーキング博士の発見から始まったこの分析が量子論に関係しているという事実は、物理学者を困惑させ続けている別の問題を提起しました。これは激しい議論と不一致の焦点であり、ブラック ホール情報の「パラドックス」と呼ばれています。
通常の説明は次のようになります。量子論によれば、孤立した物理システムの量子状態は、そのようなシステムの完全な説明を提供します。その状態は、進化の法則に従って進化します。進化の法則は、将来の他の時点での対応する状態の正確な予測、または過去のシステムの状態の遡及を可能にします。一方、特定の質量と角運動量を持つブラック ホールは、さまざまな方法で形成された可能性があります。ブラックホールが完全に蒸発し、非常に単純な方法で完全に特徴付けられる熱放射だけが残る場合、物質の正確な量子状態を正確に遡るのに必要なすべての情報をエンコードする方法はないようです.それが最初にブラックホールを生み出した。したがって、最終状態の詳細から、ブラック ホールが最初に形成された詳細な状態を遡ることは不可能であり、量子論の進化法則の特性を考えると、予想と矛盾します。多くの人にとって、これは私たちが「パラドックス」に直面していることを示しています。
この問題を詳しく調べてみると、物事はそれほど単純ではないことがわかります (そして、パラドックスという言葉を引用符で囲んだ理由も説明しています)。ポイントは、量子論によれば、ブラックホールが最初に形成された詳細な状態を遡ることができるはずであるという主張は、まったく間違っているということです.このような結論は、U プロセスだけに注目し、R プロセスを完全に無視した場合にのみ得られます。したがって、ブラック ホールの蒸発と情報の運命に関連して生じる問題の考察を、測定問題の解決策と結びつけるのは自然なことです。
測定の問題に対する最も魅力的な解決策の 1 つは、自発的な崩壊によって提供されます。 2015 年から、私の同僚と私は、単純化されたモデルの助けを借りて、ブラック ホールの蒸発の文脈でそのような理論を使用することが問題に完全に対処できるかどうかを詳細に検討および分析しました。これまでの分析では、時空の曲率とともに自然崩壊率が増加する場合、答えはイエスであることが示されています。その場合、通常は自発的な崩壊に関連する小さなレベルの情報の消去が十分に効率的になり、ブラック ホールの深い内部の曲率が増加するため、消去されたと思われるすべての情報を説明できます。
未解決の問題と理論の正確な形式の詳細を整理し、これらのアイデアをテストできる他の状況を見つけるために、作業を続けなければなりません。まだ決着はついていませんが、シュレーディンガーの猫の問題、ブラックホール情報の問題、インフレーション宇宙論の不可解な側面など、さまざまな問題の集合的な解決が、自然崩壊の考察から生じる可能性があります。私たちは最近、宇宙の初期状態の非常に低いエントロピーを説明する可能性や、暗黒エネルギーの性質と大きさを理解する道筋など、このアプローチが役立つ可能性のある他の問題を発見しました.重力を伴う状況での自然崩壊理論の使用は、非常に有望でエキサイティングな研究経路であるように思われます.
Daniel Sudarsky は、シカゴ大学、ペンシルバニア州立大学、アルゼンチンのブエノスアイレス大学、フランスのマルセイユ大学、NYU で訪問職を歴任してきました。彼は現在、ジョン ベル物理学基礎研究所の理事会のメンバーであり、メキシコ国立自治大学の核科学研究所の教授でもあります。
参考文献
1. Ghirardi, G.C.、Rimini, A.、および Weber, T. 微視的システムと巨視的システムの統一ダイナミクス。 フィジカルレビューD 34 、４７０−４９１（１９８６）； Pearle, P. 確率論的動的状態ベクトル削減と自発的ローカリゼーションの組み合わせ。 フィジカルレビューA 39 、２２７７−２２８９（１９８９）；比較的最近のレビューについては、Bassi, A. &Ghirardi, G. Dynamical reduction models を参照してください。 物理レポート 379 、257-426 (2003).
2. Maudlin, T. 3 つの測定問題。 トポイ 14 、7-15 (1995)。
3. A. Perez, A.、Sahlmman, H.、および Sudarsky, D. 宇宙構造の種子の量子力学的起源について。 古典重力と量子重力 23 、2317-2354 (2006).
4. Planck コラボレーション (Akrami, Y., et al. ) プランク 2018 の結果。 X. インフレに対する制約。 arXiv:1807.06211 (2019).
5. León, G., Kraiselburd, L., &Landau, S.J.原始重力波と波動関数の崩壊。 フィジカルレビューD 92 、083516（2015）; Majhi、A. Okón、E.、および Sudarsky、D. B モードとインフレの間のリンクの再評価。 フィジカルレビューD 96 、101301（2017）; León, G.、Majhi, A.、Okón, E.、および Sudarsky, D. インフレーション中に生成される原始重力波の期待。 フィジカルレビューD 98 、023512 (2018).
6. これに関して、ペンローズ、R. 時間の非対称性、量子重力などの研究によって 30 年以上前に行われた、この点に関する考察に強く影響を受けています。アイシャム、C.J.、ペンローズ、R.、およびシアマ、D.W. (編) 量子重力 II (1981);ウォルド、R.M.量子重力と時間可逆性。 フィジカルレビューD 21 、2742 (1980)。
7. Okón, E. &Sudarsky, D. 「ブラック ホール情報のパラドックスと波動関数の崩壊。 物理学の基礎 45 、461-470（2015）; Okón, E. &Sudarsky, D. ブラック ホールで物を失う。 物理学の基礎 48 、411 (2018)。
8. Modak, S.、Ortiz, L.、Peña, I. &Sudarsky, D. 崩壊理論におけるブラック ホール蒸発の逆説的でない情報の損失。 フィジカルレビューD 91 、124009（2015）; Bedingham, D.、Modak, S.K.、および Sudarsky, D. 相対論的崩壊ダイナミクスとブラック ホールの情報損失。 フィジカルレビューD 94 、045009 (2016).
9. Okón, E. &Sudarsky, D. A (そうではない?) 宇宙の非常に特殊な初期状態の斬新な説明。 古典と量子重力 33 (2016).
10. Josset, T.、Perez, A. &Sudarsky, D. エネルギー保存違反の重みとしての暗黒エネルギー。 フィジカル レビュー レター 118 、021102（2017）; Perez, A. &Sudarsky, D. 量子重力離散性からの暗黒エネルギー。 フィジカル レビュー レター 122 、221302 (2019).
リード画像:local_doctor / Shutterstock
