それは、物理学の大きな見逃したつながりの 1 つでした。 1965 年に素粒子論者が素粒子の衝突の式を導出しました。 20 年後、2 人の重力理論家が、まったく異なる手法を使用して、星またはブラック ホールの衝突の公式を導出しました。そして、それらは同じ式でした。唯一の違いは、最初に「p」を使用したことです。 」は運動量を表し、2 番目は「P」を使用 」。ハーバード大学の物理学者であるアンディ・ストロミンガーは、「6 歳の子供がこの 2 つの論文を見て、類似点を見つけることができた」と冗談を言っています。しかし、明らかに 6 歳の子供はいなかったので、ストロミンジャーが 2014 年に気付くまで、彼らの類似性は気付かれませんでした.
これらの式に共通しているのは、重力やその他の力が大規模にどのように作用するかということです。 Strominger と彼の同僚は、物理法則を統一するための新しく珍しい道をどのように提供できるかを調査してきました。力の大規模な挙動は、物理学者が伝統的に注目している小規模な挙動と同じくらい多くの驚きをもたらすことが判明しました。このアプローチはまた、1970 年代にスティーブン ホーキングによって最初に特定された、ブラック ホールに飲み込まれる物体に関する情報の運命に関する悪名高い パラドックス に対する新たな攻撃線を開きました。 「アンディの研究は非常に重要であり、最終的には物理学の多くの分野に大きな影響を与えるでしょう」と、コーネル大学のエアンナ フラナガンは言います。
ストロミンジャーの研究の重力の側面は、1962 年の重力理論家ヘルマン ボンディ M.G. van der Burg、A.W.ケネス・メッツナーと、別のライナー・サックス。彼らは、アインシュタインの特殊相対性理論を特別なものにしている理由を特定しようとしました。この理論は、互いに一定の速度で移動するさまざまな観測者が、オブジェクトの長さとイベント間の時間についてどのように意見を異にすることができるかを指定しています。一方、完全な一般相対性理論は、その原理をさまざまな速度で移動する観測者に拡張します。それは、空間と時間がどのように織り合わされて、巨大な重力体の周りで曲がったり歪んだりする 4 次元の時空ファブリックを形成するかを指定します。教科書によると、一般理論は、惑星、星、または他の重力体から遠く離れた場合、理想的には無限に離れた場合、特殊相対性理論に帰着します。そこから先へ進むと、重力は消えてなくなり、通常は緩い時空の連続体が堅固な枠組みに固まるはずです。重力は距離とともに減少するため、惑星と星は互いにほとんど独立しており、太陽系で起こっていることは銀河系の他の部分にはほとんど依存していません.
ベルギーのブリュッセル自由大学のジェフリー・コンペールは、特殊相対性理論が説明する「フラットな時空」の構造を結晶に例えています。対称性の程度は限られていると彼は説明します。たとえば、右に 3 歩移動したり (「平行移動」と呼ばれる位置の移動)、一定の速度で移動する電車に乗ったりしても、同じように見えます。
しかし、綿密な調査の結果、ボンダイと彼の同僚は、重力をゼロにしても、時空が厳密にフラットになるのではなく、フロッピーなままであることを発見しました。言い換えれば、重力がない場所でも重力は存在します。残留物は常に残ります。結局、遠い惑星と恒星は互いに独立しているわけではありません。したがって、教科書の図は間違っていますが、その理由や実際の意味を理解する直感的な方法はありませんでした。 「非常に長い距離でも、一般相対性理論は特殊相対性理論と同じにはなりませんでした」と Strominger は言います。
スーパートランスレーション
これらの距離では、特殊相対性理論の対称性だけでなく、超平行移動と呼ばれる無限の数の対称性が残ります。これらは、重力体から無限に離れた点を関連付ける角度依存の平行移動です。 BMS 群として知られるこの大量の対称性は、空の時空に巨大な潜在的複雑性を与えます。簡単に言えば、時空が空になる方法は無限にあります。超平行移動は、右に 3 歩進むほど簡単に視覚化することはできません。多くの物理学者は、この主張が紛らわしいと感じ、超平行移動の重要性とその一般相対性理論への影響を軽視した。 (また、BMS は、「スーパーローテーション」と呼ばれるいくつかの対称性、つまり無限に多くの対称性を見逃していたことが判明しました)。 「人々はそれを本当に信じていなかったと思います。彼らはそれを殺す方法を見つけようとし続けました。」
しかし近年、ストロミンジャーは超平行移動とは何かを明らかにしており、彼の写真は真空とブラック ホールの理解に深い意味を持つ可能性があります。彼は、一見独立しているように見えますが、同様に複雑な素粒子物理学のなぞなぞに触発されました。 1930 年代にフェリックス ブロッホとアーノルド ノードシックは、エネルギーがゼロの 2 つの光子 (専門用語では「柔らかい粒子」) を衝突させた場合、特定の結果が得られる確率は、生成される粒子の数やその他の詳細とは無関係であると計算しました。 .物理学者は後に、重力の担い手として機能すると仮定された粒子であるグラビトンを含む、他のタイプの粒子にも同じことが当てはまることを示しました。実際、低エネルギーでは粒子はすべて同じように見えます。
Strominger は、研究者はこの振る舞いを場の量子論に組み込まれた特徴として捉え、数学的定理の力を持っていると考え、より深い説明を求める必要はないと考えたと言います。しかし、すべてのゼロエネルギー粒子に共通するこの奇妙な特徴を BMS グループに関連付けることで、彼は超並進運動に具体的な意味を与える方法を見つけました。超並進運動は時空に柔らかい粒子を追加すると彼は言います。
次に、この認識は、重力体から遠く離れた一見空の時空が重力の影響の残留物をどのように保持できるかをより明確に示します。柔らかい粒子を真空に投げ込むと、エネルギーは追加されませんが、角運動量やその他の特性に寄与し、真空を新しいバージョンにぶつけます。 Strominger は、もし真空が複数の形態をとることができれば、それを通過するもののほとんどホメオパシー的な痕跡を保持することに気付きました.
ペンシルバニア州立大学 (ステート カレッジ) の重力理論家 Abhay Ashtekar は、1980 年代の研究で重力の長距離効果に関するこの新しい理解の基礎を築き、空の時空の物理学と素粒子物理学のソフト定理との間のストロミンジャーの関係を「重要な意味を持つ」と呼んでいます。 」ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の理論家ニマ・アルカニ・ハメドも、ストロミンジャーのアプローチを賞賛しています。 「Strominger と彼の共著者は、これらの古典的な事実を対称的な言語でうまく再解釈しました」と彼は言います。 「とても美しいです。」
しかし、誰もが真空中の対称性に関するストロミンジャーの直感的な描写に魅了されているわけではありません。科学者が提供する解釈を精査することを専門とする哲学者は、特に疑わしいようです。ドイツのミュンヘンにあるルートヴィヒ・マクシミリアン大学のエリック・キュリエルは、「私は、BMS の料金に意味のある物理的解釈を与えようとする試みのほとんどに深く懐疑的です」と述べています。彼は、推定上の対称性は分析で使用された理想化の人工物であり、文字通りに解釈されるべきではないと考えています。カリフォルニア大学アーバイン校の James Owen Weatherall も同意見です。 (Curiel と Weatherall はどちらも、関連する物理学のバックグラウンドを持っています。)
メモリー効果
それにもかかわらず、物理学者は、重力によって取り残された観察可能な「記憶効果」の証拠を探しています。 1970 年代、ソ連の物理学者ヤコフ ゼルドヴィッチとアレクサンダー ポルナレフは、重力波は、LIGO システムのミラーによって検出された有名な振動のように、検出器につかの間の振動を引き起こすだけでなく、恒久的なシフトを残すだろうと示唆しました。 . 「鏡は小刻みに動き、波が過ぎても元の位置には戻りません」とストロミンジャーは言います。
この記憶効果は、Compère の時空図を結晶として考えると理にかなっています。重力波の通過は、結晶の転位、つまり格子のずれのようなものです。 「この転位の効果は、最初は静止していて、ある程度の距離を隔てている2人の観測者が、波が通過した後、有限量だけ移動することです」とコンペールは言います。コロンビア大学の Yuri Levin によると、変位のサイズは振動振幅の約 5% であり、将来の LIGO の更新によって確認される可能性があります。他の実験家は、電磁力と核力の類似のメモリ効果を探すことを計画しています.
情報のパラドックス
記憶の原理は、ホーキング博士が 1970 年代に発見したブラックホール情報のパラドックスを解決するかもしれません。通常の分析では、ブラック ホールは病理学的に物忘れが激しいとされています。該当する物質について彼らが保持する唯一の記録は、その質量、スピン、および電荷です。時間の経過とともに、ブラック ホールはホーキング放射の形で粒子を徐々に脱ぎ捨て、最終的には完全に収縮します。飲み込んだ内容の詳細は失われ、破壊されたと推定されます。このパラドックスが生じるのは、そのような完全な健忘症が物理学で起こるとは想定されていないためです。しかし 2016 年、ホーキング博士とケンブリッジの理論家マルコム ペリーと協力して、ストロミンジャーは、一般相対性理論の真空が、ブラック ホールの終焉を超えて、この情報を宇宙に保存するメモリ マトリックスを提供する可能性があることを示唆しました。時空の空の領域にブラック ホールが形成されます。蒸発した後、その領域は再び空になります。しかし、それは別の空です。
原理的には理にかなっていますが、一部の物理学者にとって、情報がブラック ホールからどのように正確に逃れるかについての詳細は大ざっぱです。 「実際のホーキング・ペリー・ストロミンジャーの論文は、超翻訳がどのように情報を引き出すことができるかについて何も述べていません」と、オハイオ州立大学のサミール・マトゥールは言います。
解決策が最終的にどのようなものであると証明されたとしても、一般相対性理論をよりよく理解することは、物理学者がパラドックスのない後継理論を開発するのに役立つだけであることは当然です。時空の対称性を完全にカタログ化した今、ストロミンジャーらは、より基本的なシステムから出現する可能性のある方法を探すことができます.したがって、奇妙な大文字の使用を除けば、ほぼ同じに見える 2 つの数式を次に見かけたら、注意してください。あなたも、目に見えないところに隠れていた深いつながりを見つけるかもしれません。
George Musser はサイエンス ライター兼編集者で、2 冊の本の著者です。 ひも理論への完全な馬鹿のガイドと 遠く離れた不気味なアクション。彼は現在、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の所長訪問者です。
この記事は、もともと FQXi (Foundational Questions Institute) のコミュニティ サイトに掲載されたものです。
