時間を取り除く時が来ましたか?|物理

詩人はしばしば、時間を川と考えます。これは、誕生の輝かしい朝から老後の黄金の黄昏まで、私たちを自由に流れる川です。春の繊細なつぼみと夏の青々とした花を分けるスパンです。

物理学者は時間をもう少し実際的な観点から考えています。彼らにとって、時間は変化を測定する手段であり、ビーズのようにつなぎ合わされた無限の一連の瞬間であり、不確実な未来を現在に、現在を明確な過去に変えます。まさに時間の概念により、研究者は彗星が太陽の周りをいつ回るか、または信号がシリコンチップをどのように通過するかを計算できます。時間の各ステップは、自然の無数の現象の進化を垣間見ることができます。

つまり、時間は道具です。実際、それは最初の科学的ツールでした。現在、時間は 10 兆分の 1 秒という薄さに切り分けられます。しかし、スライスされているのは何ですか？質量や距離とは異なり、時間は私たちの物理的な感覚では知覚できません。私たちは時間を見たり、聞いたり、嗅いだり、触れたり、味わったりしません。それでも、私たちはどういうわけかそれを測定します。理論家の幹部が一般相対性理論、アインシュタインの重大な万有引力の法則を拡張し、洗練しようとするとき、彼らは時間に問題を抱えています。大きな問題です。

「これは危機です」とカリフォルニア大学リバーサイド校の数学者ジョン・バエズは言います。私たちの日常世界の物理学ではありません。ストップウォッチ、振り子、および水素メーザー時計は、エネルギーの低い地球環境で、自然を非常にうまく追跡し続けるでしょう。危機は、物理学者が大宇宙 (最も壮大なスケールの宇宙) を亜原子粒子の小宇宙と融合させようとしたときに発生します。

ニュートンの下では、時間は特別なものでした。あらゆる瞬間は、研究中の現象とは別の場所にある宇宙時計によって集計されました。一般相対性理論では、これはもはや真実ではありません。アインシュタインは、時間は絶対的なものではなく、特定の時計は特別ではないと宣言し、重力がどのように機能するかを説明する彼の方程式はこれを考慮に入れています。彼の重力の法則は、たまたまどの時計をゲージとして使用しても同じように見えます。「一般に、相対性理論の時間は完全に恣意的です」と、ロンドンのインペリアルカレッジの理論物理学者クリストファーアイシャムは説明します。「一般相対性理論から得られる実際の物理的予測は、時計の選択に依存しません。」光速に近い速度で動く時計を使用していても、自宅の棚の上に静かに座っている時計を使用していても、予測は同じです。

ただし、物理学の他の分野、特に量子力学では、クロックの選択は依然として重要です。これは、1926 年の Erwin Schrödinger の有名な波動方程式で中心的な役割を果たします。この方程式は、亜原子粒子が、単独で移動するか、原子を周回するかを問わず、波の集まり、点から点へと移動する波の束とどのように考えられるかを示しています。空間と瞬間瞬間。

量子力学のビジョンによれば、エネルギーと物質は量子と呼ばれる個別のビットに分割され、その動きはびくびくしてぼやけています。彼らは狂ったように変動します。これらの粒子の挙動は、ロケットの軌道のように正確に計算することはできません。シュレディンガーの波動方程式を使用すると、粒子 (波束) が特定の位置または速度に到達する確率のみを計算できます。これは、アインシュタインでさえその不確定性を激しく非難した古典物理学の世界とは非常に異なる図です。彼は、神が世界でサイコロを振るとは信じられないと宣言した.

量子力学が物理学に曖昧さをもたらしたと言うかもしれません。粒子の正確な位置を特定できますが、トレードオフがあります。その場合、その速度はうまく測定できません。逆に、粒子の速度がわかっていても、粒子がどこにあるかを正確に知ることはできません。 Werner Heisenberg は、この奇妙で風変わりな状況を有名な不確定性原理で最もよくまとめています。しかし、このすべての行動は、それ自体は不確実ですが、空間と時間の固定された舞台、不動のアリーナで発生します。信頼できる時計は常に存在し、実際に常に必要とされ、進行状況を追跡し、物理学者がシステムがどのように変化しているかを説明できるようにします。少なくとも、それが現在の量子力学の方程式の設定方法です。

そして、それが問題の核心です。物理学者は、その予測に到達するために特別な時計を必要としない物理学の 1 つの法則、つまり重力と、普遍的なニュートン時間枠内で機能し続ける量子力学の素粒子の規則をどのように融合させることが期待されているのでしょうか?ある意味では、それぞれの理論は異なるドラマーのビート (または異なる時計のカチカチ音) に合わせて行進しています。

そのため、これら 2 つの物理学の領域を融合させようとすると、少しおかしくなり始めます。量子重力が作用するスケールは非常に小さいため、現在の技術ではこれらの効果を直接測定することはできませんが、物理学者はそれらを想像することができます.量子粒子を時空の弾力のある柔軟なマットの上に置くと、ゴムのように曲がり、折り畳まれます。そして、その柔軟性は、粒子を追跡するクロックの動作に大きな影響を与えます。その小さな極微の領域に閉じ込められた時計は、おそらく地震の震えと震えの中で動く振り子時計に似ているでしょう. 「ここでは、アリーナそのものが量子効果にさらされており、立つものは何もありません」とアイシャムは説明します。「時間の概念がまったくない状況に陥る可能性があります。」しかし、量子計算は確実な時間感覚に依存します。

一般相対論者でユタ大学の名誉教授であるカレル・クチャにとって、量子時間を測定するための鍵は、巧妙な数学を使用して適切な時計を考案することです。本質的に保守的なクチャは、より急進的な解決策に移る前に、自分が知っていることに固執することが最善であると信じています.そこで彼は、ブラックホールの内部や最初の宇宙空間など、量子重力によって支配される異常な領域で起こっている物理学を説明するために使用できる量子タイムキーパーである、ニュートン時計の超顕微鏡バージョンと呼ばれるものを探していました。作成の瞬間。

日常の物理学で使用される時計とは異なり、Kucha の仮説上の時計は、周囲で何が起こっているかに影響されず、隅に立つことはありません。それは、量子重力が支配する小さくて高密度のシステム内に設定され、その一部となります。このインサイダーステータスには落とし穴があります。システムが変更されると時計も変更されるため、時間を追跡するには、これらの変動を監視する方法を理解する必要があります。ある意味では、参照するたびに腕時計をこじ開けて動作を確認しなければならないようなものです.

この特殊なタイプの時計の最も一般的な候補は、単純に「物質時計」です。「もちろん、これは太古の昔から私たちが慣れ親しんできたタイプの時計です。私たちの身の回りにある時計はすべて物質でできています」と Kucha 氏は指摘します。結局のところ、従来の計時とは、一連の粒子や流体などの物質媒体を選択し、その変化をマークすることを意味します。しかし、ペンと紙を使って、Kucha は数学的に物質時計を量子重力の領域に取り込みます。そこでは重力場が非常に強く、確率論的な量子力学的効果が発生し始めます。彼は、これまで時計が行ったことのない時間を取ります。

しかし、この領域に足を踏み入れると、「物質はますます密度が高くなります」と Kucha は言います。そして、それは、これらの極端な条件下で時計として選択されたあらゆる形態の物質のアキレス腱です。それは最終的に押しつぶされます。それは最初から明白に思えるかもしれませんが、Kucha は時計がどのように分解されるかを正確に調べる必要があります。それにより、プロセスをよりよく理解し、理想的な時計を構築するための新しい数学的戦略を考案できるようになります。

量子時計としてより有望なのは、空間自体の幾何学です。初期の宇宙が膨張したり、ブラックホールが形成されたりするにつれて、時空の曲率の変化を監視します。 Kucha は、そのような性質は、量子重力の極限状態でも測定可能であると推測しています。膨張する宇宙は、このスキームの最も単純な例を提供します。小さな幼児の宇宙を膨らませる風船と想像してみてください。最初は、その表面が鋭く曲がります。しかし、風船が膨らむにつれて、その表面の曲率はどんどん浅くなっていきます。「ジオメトリの変化により、自分が別の瞬間ではなく、ある瞬間にいることがわかります」と Kucha は説明します。つまり、時計として機能することができます。

残念ながら、クチャがこれまで調査してきた各タイプの時計は、異なる量子記述、システムの動作の異なる予測につながります。「時空に置いた 1 つの時計に関して量子力学を定式化し、1 つの答えを得ることができます」と Kucha は説明します。

「しかし、別のタイプの時計、おそらく電界に基づく時計を選択すると、まったく異なる結果が得られます。これらの説明のどれが正しいかを言うのは難しいです。」

それ以上に、選ばれた時計が崩れてはならない。量子論は、空間をどれだけ細かく分割できるかには限界があることを示唆しています。想像できる最小の空間の量子粒子は幅 10 センチメートルで、量子の発明者であるマックスプランクにちなんで名付けられたプランク長です。その極小のスケールでは、時空キャンバスは途切れ途切れになり、荒れ狂う海の白波のようにごちゃごちゃになります。空間と時間は接着されなくなり、確率論的な泡の中で存在と存在から消え始めます。私たちが知っている時間と空間は、もはや簡単には定義できません。これは、物理学が不明になり、理論家が不安定な地面を歩き始めるポイントです。物理学者のポール・デイビスが著書 About Time で指摘しているように、「考えられるすべてのジオメトリ (考えられるすべての時空、スペースワープ、タイムワープ) が一種のカクテル、つまり「泡」に混ざり合っていると想像する必要があります。」

この想像を絶する小さなレベルの時空で実際に何が起こっているのかを明らかにするには、完全に開発された量子重力理論だけが必要です。 Kucha は、一般相対性理論のいくつかの性質 (まだ知られていない) は、この時点では量子ゆらぎを受けないと推測している.何かが保持され、接着剤が剥がれない場合があります。そうだとすれば、クチャが長年求めてきた信頼できる時計となる可能性がある。その希望を持って、Kucha はさまざまな可能性を 1 つずつ探求し続けています。

Kucha は、一般相対性理論を量子力学のスタイルに形作り、そのための特別な時計を見つけようと試みてきました。しかし、量子重力を理解しようとしている他の物理学者の中には、改訂は逆に行われるべきだと信じている人もいます。つまり、量子重力は一般相対性理論のように、時間が背景に押しやられて作り直されるべきだと考えています。カルロロヴェッリは、この見解の擁護者です。

時間を忘れてください」とロヴェッリは力強く宣言します。「時間は単なる実験的事実です。」フランスの理論物理学センターの物理学者であるロヴェリは、本質的に時代を超えた量子重力へのアプローチに取り組んできました。計算を単純化するために、彼と共同研究者である物理学者の Abhay Ashtekar と Lee Smolin は、時計のない理論空間を設定しました。このようにして、彼らはアインシュタインの一般相対性理論を新しい変数セットを使用して書き直し、量子レベルでの使用に容易に解釈および適応できるようにすることができました。

それらの定式化により、物理学者は亜原子スケールで重力がどのように振る舞うかを新しい方法で調査できるようになりました。しかし、それは時間への言及なしに本当に可能でしょうか? 「最初は特殊相対性理論で、次に一般相対性理論で、私たちの古典的な時間の概念はますます弱くなっただけです」とRovelliは答えます. 「私たちは時間で考えます。それが必要です。しかし、考えを実行するのに時間が必要だからといって、それが現実であるとは限りません。」

Rovelli は、物理学者が自然のすべての力を 1 つの旗の下に結び付ける統一された法則を見つけた場合、それは時間に関係なく書かれるだろうと考えています。「次に、特定の状況では、重力場が劇的に強くないときに、現実が組織化され、時間と呼ばれる流れを知覚するようになります。」

ロヴェッリは、最も基本的な物理法則から時間を取り除くには、おそらく概念的に大きな飛躍が必要になるだろうと述べています。これは、コペルニクスが地球ではなく太陽を地球の中心に置いたときに 16 世紀の科学者が行わなければならなかったのと同じ種類の調整です。大宇宙。そうすることで、ポーランドの聖職者は効果的に地球を動かした. 「1500 年代、人々は地球の移動は不可能だと考えていました」とロヴェッリは述べています。

しかし、素粒子の世界に適用されるルールを含め、本当のルールは時代を超越しているのかもしれません。実際、量子力学の法則を書き換える動きが進行中であり、この革新は、他の量子難問の中でも特に時間の問題によって部分的に促進されました。そのプログラムの一環として、理論家は量子力学の最も基本的な方程式を言い換えて、時間への直接の参照を削除してきました。

このアプローチのルーツは、1940 年代に物理学者のリチャードファインマンによって導入された手順にまでさかのぼることができます。この方法は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジェームズハートルや物理学のノーベル賞受賞者マレーゲルなど、他の人によって拡張および拡大されてきました。マン。

基本的に、これはシュレディンガー方程式の新しい見方です。最初に設定されたように、この方程式により、物理学者は粒子が指定された時間スライスで点 A から点 B に直接移動する確率を計算できます。 Feynman によって導入された別のアプローチでは、その代わりに、粒子が A から B に到達するためにたどる無限のパスを考慮します。時間は要因として取り除かれます。潜在的な経路のみが重要です。これらの可能性を合計すると (初期条件に応じて、いくつかのパスが他のパスより可能性が高くなります)、最終的に特定のパスが現れます。

このプロセスは、波間の干渉と比較されることがあります。海の 2 つの波が結合すると、互いに補強し合う (新しいより大きな波につながる) か、互いに完全に打ち消し合う可能性があります。同様に、これらの多くの潜在的なパスが相互に作用し合い、一部は強化され、一部は破壊され、最終的なパスを生成すると考えることができます。さらに重要なのは、時間の変数が計算に含まれなくなったことです。

Hartle は、この手法を量子宇宙論の研究に応用してきました。これは、量子力学の法則を若い宇宙に適用してその進化を識別する試みです。ただし、個々の粒子を扱う代わりに、彼は、進化する宇宙、潜在的な宇宙の無限の配列を説明できる可能性のあるすべての構成を扱います。彼がこれらのさまざまな構成を要約すると、あるものは互いに高め合い、あるものは互いに打ち消し合い、特定の時空が最終的に現れます。このようにして、ハートルは量子重力時代の宇宙の振る舞いの手がかりを得たいと考えています。便利なことに、彼は物理学を実行するために特別な時計を選ぶ必要はありません:時間は本質的な変数として消えます.

もちろん、Isham が指摘するように、「時間を取り除くと、時間に囲まれた通常の世界に戻る方法を説明する義務があります。」量子重力理論家には予感があります。 Rovelli のように、多くの人が時間は根本的なものではないと疑うようになっています。このテーマは、時間の問題を解決するためのさまざまなアプローチの中で繰り返し響きます。彼らによると、時間は温度や圧力などの物理的特性に似ている可能性があります。 1 つの粒子または 1 つの原子について話すとき、圧力は意味がありません。圧力の概念は、何兆もの原子を考慮したときにのみ発生します。時間の概念は、この統計的特徴を非常にうまく共有できます。もしそうなら、現実は点描画に似ているでしょう。最小の縮尺 (プランク長) では、時間は意味を持ちません。ちょうど、ペンキのダブから構築された点描の絵画を間近で測ることができないのと同じです。

量子重力理論家は、自分たちを考古学者と比較するのが好きです。各調査員は、広大な地下都市の別のアーティファクトを見つけて、別のサイトを掘り下げています。発見の完全な範囲はまだ実現されていません。理論家が必死に必要としているのは、さまざまなアプローチを決定するのに役立つデータ、実験的証拠です。

ビッグバンの地獄のような状況を再現する必要があるように見える、それは不可能な作業のようです。しかし、必ずしもそうではありません。たとえば、次世代の「重力波望遠鏡」は、時空のゴムのようなマットの波紋を検出する機器であり、重力が最初に現れた創造の瞬間からの遺物であるビッグバンの反響する雷をいつか感知するかもしれません。このような波は、空間と時間の性質に関する重要な手がかりを提供する可能性があります。

「数十年前には、ビッグバンの最初の 10 分間に何が起こったのかを知ることができるとは信じられませんでした」と Kucha 氏は指摘します。「しかし、元素の豊富さを調べることで、それを行うことができるようになりました。おそらく、プランクスケールの物理学を十分に理解すれば、今日観測可能な特定の結果、つまりレムナントを探すことができるでしょう。」そのような証拠が見つかれば、私たちの起源にこれまでで最も近いものになり、約 140 億年前に空間と時間がどのように無から湧き出たのかをついに認識できるようになるでしょう.

Marcia Bartusiak は、作家、ジャーナリスト、およびマサチューセッツ工科大学のサイエンスライティングの大学院プログラムの教授です。彼女は天文学と物理学について書いています。

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