物理学は往々にして不可解ですが、1 つの原則は堅実なように思えます。それはエネルギー保存の法則です。この世界には「エネルギー」と呼ばれる量が変わらないものがあります。形を変えたり、ある体から別の体に移動したりできますが、その総量は一定のままです。よく蹴られたフットボールの弧から車のエンジンのゴロゴロ音まで、すべてがこの法則に依存しています。それは、エネルギーを貴重な商品にし、数え、買いだめし、争います。
私たち物理学者は、私たちの体が単にエネルギーを使用するだけでなく、それで構成されていることを学びました.アインシュタインの式 E =MC は、質量をエネルギーの形態として識別します。これは、他の形態に変換できるもの (たとえば、核爆弾によって)、またはそれらの形態から (粒子コライダーで) 作成することができます。この式は、エネルギーが物を作る基本的なものであるという私たちの直観を強化します。 1 世紀近く前にドイツの数学者エミー・ネーターが最初に認識したように、物理学に深く入り込むと、保存則が対称性と密接に結びついていることもわかります。自然の法則は時間的に対称であるため、エネルギーが保存されます。それらは刻々と変化しません。
しかし、物理学は、それ自体に疑問を持ち続けなければ物理学ではありません。アインシュタインが有名な公式を導き出してから間もなく、彼は重力の理論、一般相対性理論を作成し始めました。省エネルギーは少し危険になりました。個々の観測者は、自分のすぐ周りのエネルギー密度を測定し、局所化されたシステムの総エネルギーが一定であることを確認できますが、厳密に保存される全体のエネルギーを定義することは不可能です。グローバルな量ではなく、ローカルな量のエネルギーを定義できるというのは奇妙に聞こえるかもしれません。
私たち自身の膨張する宇宙は、その奇妙さの良い例です。物質のエネルギー密度は、空間の体積に反比例して減少します。たとえば、エネルギー保存に従って、銀河は離れて移動するため、特定の体積内の銀河の数が少なくなります。しかし、星の光やその他の形態の放射線のエネルギー密度は、より急激に減少します。彼らのエネルギーは失われます。他の形にはなりません。これが許されるのは、膨張する宇宙は時間的に対称ではないからです。その成長は過去と未来を区別します。したがって、一般相対性理論は、エネルギーが他のすべてのものを作る基本的なものであるという見解を維持することを困難にします.
それはほんの始まりです。 20 世紀の物理学に革命をもたらしたもう 1 つの理論、量子力学について考えてみましょう。量子の世界は不確実です。エネルギーなどの属性が不明確またはあいまいです。さらに悪いことに、この理論には非常に重大な概念上の欠陥があり、エネルギー保存の最終的な運命を検討する際に考慮しなければなりません。
つまり、量子力学には、粒子または粒子のシステムが時間の経過とともにどのように進化するかを決定するために、2 つの異なる互換性のないレシピが含まれます。前者はシステムが観察されていない場合に適用され、後者は観察されている場合に適用されます。どのレシピを使用するかについての理論は曖昧です。測定または観察を構成するものは正確には何ですか?意識的な存在が関与する必要がありますか？ノミは測定できますか？ウイルス？この問題は測定問題として知られており、さまざまな批評家が指摘しているように、現実問題と呼ばれるべきです。理論は、私たちの認識とは無関係に「そこに」存在するものは不明です.
ニューヨーク大学のティム・モードリンが論じているように、問題に対処するためのアプローチには 3 つのタイプがあります。システムの状態をより完全に記述するために、いわゆる隠れ変数 (通常の量子論が提供するものを超えた要素) を追加します。最もよく知られている例はド・ブロイ・ボーム理論で、波動関数の他に、標準的な量子形式では捉えられない明確な位置を持つ粒子があると仮定しています。波動関数は単に牧羊犬のように彼らを導きます.
2 番目の種類のアプローチは、システムの不確実性を崩壊させ、そのあいまいさを排除するランダムなプロセスを仮定します。 3 番目の解決策は、多数のユニバースに関係しています。私たちが測定と呼んでいるものは、私たちの宇宙を多くの枝に分割することに何らかの形で対応しています。これらのアイデアはすべて、測定に関する問題のあるレシピを不要にします。問題のないものはありませんが、それが問題です。
今年、モードリン、メキシコ国立自治大学のエリアス オコンと私は、これら 3 つのアプローチにおける自然保護法の運命を研究することに着手しました。私たちの分析には、一般的な考察とさまざまな思考実験が含まれていました。
たとえば、数個の光子で構成される量子システムが、2 つのパスの「重ね合わせ」として知られる特徴的な量子タイプの組み合わせに進化する標準的な実験を考えてみましょう。これらは、古典的なレベルでは、エネルギーのさまざまな値に対応する状況につながります。 1 つの経路は、光子を遠くの銀河に運んで戻すため、宇宙膨張によりエネルギーを失います。もう一方の道は、元のエネルギーの変化を伴いません。量子論の中心的な原則によれば、各光子は両方の経路をたどります。
量子物理学の標準的な話は、測定装置によって供給または吸収されるエネルギーを考慮に入れることによって、非保存を説明できるというものです。別の量子効果であるエンタングルメントを使用してそのオプションを削除し、リモートで測定できるようにします。
3 つの解釈アプローチは、エネルギーに何が起こるかについて異なる説明を提供します。自然崩壊理論では、システムは、十分に長い時間が経過した後、エネルギー値の 1 つに突然崩壊し、エネルギーの非保存につながります。ド・ブロイ・ボームのアプローチでは、一般に保存される可能性があるエネルギーの概念には、粒子とガイド波動関数の両方が含まれている必要があります。波動関数は分裂し、その後実験室で再結合します。再結合時に発生する干渉により、エネルギーが保存されないような方法で光子が動作します。多世界の設定では、世界が分割されるすべてのブランチの平均エネルギーは保存される可能性がありますが、各ブランチのエネルギーは保存されません。各ブランチの観点からは、崩壊説とまったく同じことが起こります.
要するに、厳密に保存されたシステムのグローバルエネルギーの合理的な定義を提供するスキームはないと結論付けました。一般相対性理論では局所エネルギー保存が内部的に一貫している必要があるため、これは悪いことです。
量子力学と一般相対性理論を調和させるには、量子重力理論が必要です。物理学者たちは、そのような理論がどのようなものになるかについて激しく意見が分かれていますが、1 つのことについてはほとんどの意見が一致しています。その場合、保存法はその関連性を完全に失います。基本的なレベルで時間がない場合、特定の量が時間とともに変化しないとどうして言えますか?
実際のレベルでは、厳密な保存からの逸脱はごくわずかであると予想され、人間がエネルギーに関して直面している具体的な問題の解決にはなりません。しかし、多くの理論家にとって、いかなる違反も冒涜です。それでも、補償があるかもしれません.
マルセイユ大学の Thibaut Josset と Alejandro Perez、スタンフォード大学の James Bjorken と私は、一般相対性理論 (当初はアインシュタイン自身が考えていた) を修正すると、局所的なエネルギー保存からのわずかな逸脱が許容されることを示しました。そして、そのような理論は、現代科学における最大の謎の 1 つである暗黒エネルギーを解決する道を提供するかもしれません.
暗黒エネルギーは宇宙の神秘的な構成要素であり、全内容の約 70% を占めており、宇宙の膨張を加速させています。私たちの分析によると、暗黒エネルギーは、宇宙の歴史の中で起こった局所的なエネルギー保存のすべての違反の一種の累積的な記憶です.検討された特定のモデルの 1 つで、予測値は完全に自然な方法で観測値と一致します。
もちろん、事態は収束には程遠い。これらおよび関連する問題の調査は、まだ始まったばかりです。しかし、これまで当然のことと思っていた原則をあらためて見直すと、その意味するところに驚かされることが予想されます。
Daniel Sudarksy は、メキシコシティにあるメキシコ国立自治大学の理論物理学者です。彼は、アインシュタインの一般相対性理論と量子物理学の相互作用に焦点を当て、摩擦点に焦点を当てることで、より深い理論についての手がかりを探しています。
参考文献
1. Maudlin, T. 3 つの測定問題。 トポイ 14 、7-15 (1995)。
2. Maudlin, T.、Okon, E.、および Sudarsky, D. 物理学における保存則の状況について:半古典的重力への影響。 arXiv:1910.06473 (2019).
3. Josset, T.、Perez, A.、および Sudarsky, D. エネルギー保存違反による暗黒エネルギー。 フィジカル レビュー レター 118 、021102 (2017).
4. Perez, A., Sudarsky, D., &Bjorken, J.D. 創発宇宙定数の微視的モデル。 現代物理学国際ジャーナル D 27 、1846002 (2018).
5. 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).
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