理論物理学者としての私の目標は、量子論をアインシュタインの一般相対性理論と結びつけることです。ひも理論やループ量子重力など、この統合にはいくつかの提案がありますが、完全な統合には多くの障害が残っています。
アインシュタインの理論によると、重力は空間と時間のゆがみの直接的な現れです。太陽は、眠っている人がマットレスを曲げるように、空間の構造を曲げます。地球を含む惑星の軌道は、太陽によって作成された曲がった空間の輪郭に沿った運動です。この理論は、光の性質に関するいくつかの重要な洞察を提供します。
しかし、量子力学は、物理的現実について多くの奇妙なことを述べています。たとえば、私たちの経験では、空間の 1 つの領域を占有します。しかし、量子粒子が空間を移動するとき、粒子の多くのコピーが同時に共存しているかのように、すべてのパスを同時に考慮します。
何年もの間、私は自分の研究に行き詰まっており、キャリアの早い段階で思い描いていた進歩を遂げることができませんでした.特に、量子力学は観察者の役割を理論の構造に慎重に取り入れています。しかし、観測者の役割を量子時空に含めることは非常に難しいことが証明されています.
昨年の夏の終わり、私は最も予想外のブレークスルーを経験しました。ニューヨーク科学アカデミーの理事会のメンバーであるベス・ジェイコブスは、私と何人かの友人を彼女のニューヨーク市のアパートに招待し、オークスの双子に会いました。オークスの双子は、近年、ドローイングと革新的な作品で注目を集めているアーティストです。それらを作成するために展開する技術と発明。オークスの作品、冬のゲティのアーウィン ガーデン (2011) は、ロバート アーウィンがロサンゼルスのゲッティ美術館で設計した有名な庭園の複雑な絵で、セントラル パークを見下ろすジェイコブスのアパートのバルコニーに飾られ、ニューヨーク市のスカイラインを背景に暖かなオレンジ色に照らされていました。日没前の空の瞬間。
ドローイングを見ていると、アーティストたちが光の性質を再考するように私に挑戦しているのを感じることができました。量子力学と一般相対性理論を統合する新しい原理を理論化し、構想する際には、光の物理学だけでなく、観察者が光の情報をどのように認識するかについても考慮する必要があることに気付き始めました。写真家でありマルチメディア アーティストであるサム ハイトのスクラッチ フィルム作品における時間と量子の不確実性の認識を調査することで、私はすでにその道を歩んでいました。私の心は新しいインスピレーションに熟していました.オークスの双子がそれを提供してくれました.
Ryan と Trevor Oakes (35 歳) は、子供の頃から視覚と光の物理学の影響と交差を探求してきました。ニューヨーク市の科学と芸術の進歩のためのクーパー ユニオンに参加し、何年にもわたる実験と新しい技術の発明を行った後、双子は、光情報は球面から発生した場合によりよく説明されるという考えを利用しました。
ライターのローレンス・ウェシュラーは、彼らのプロセスをうまく要約しています。 2014 年、ウェシュラーはニューヨークの国立数学博物館で双子の作品の回顧展を企画しました。彼は、兄弟が「ルネサンス以来、物理的現実の描写において最も興味深いブレークスルーの 1 つを開発しました。彼らは、目の前の世界のカメラ オブスキュラの正確なレンダリングを凹状のグリッド上に追跡する方法を考え出しました。自分の肉眼以外の他の光学機器 (レンズなし、ピンホールなし)。」
オークス兄弟に紹介された後、私は彼らの仕事を深く探求し始めました.その魔法の背後には、一流の物理学者と同様の実験、直感、近似、および技術の実践があることがわかりました。双子は、芸術と科学が互いに情報を与える複雑な方法と、アーティストと科学者の間の会話とコラボレーションのための広大で未知の領域に私を目覚めさせました.芸術と科学の両方の構造に織り込まれた糸の中には、アーティストや科学者が技術を開発して活用し、隠された現実を明らかにし、目の前にある秘密に焦点を当てる方法があります.
双子がドローイングを作成して表示するために使用するユニークな凹状のキャンバスに加えて、ドローイングの細部をピクセル化するための円形のベースの使用に興味をそそられました。ヴァン・ゴッホが後の作品で採用したテクニックを思い出しました。光の色の反射で、テクスチャの深さのほとんど余分な次元の効果を生み出しました。陰影は二次元のキャンバスから三次元の情報として捉えることができます。同様に、双子の埋め込み円の使用と、その選択を表現するテクニックに興味をそそられました.
オークス兄弟は、アインシュタインが解明と表現の方法として使用した「思考実験」の伝統についても考えさせられました。兄弟は、何年にもわたる視覚の実験から、視覚情報の物理的形態についての理解を導き出しました。
彼らはいつでも電子メールで次のように説明しています。ひとまとめにして、たまたま瞳孔に収束する光線のグループはすべて、瞳孔から放射状に扇状に広げられ、各光線は暗示的な球の表面に垂直に移動します。世界の周囲の物体は不規則で変化に富んでいるかもしれませんが、知覚的には、不規則な周囲に関する情報を私たちの目に運ぶ入ってくる光子の球体の中心にきちんと住んでいます。」
この幾何学的な知覚の形を捉えるために、兄弟は従来の平面ではなく、球状の凹面に作品を制作しています。 The Getty のように、シーンをレンダリングするために凹面を使用する 、Trevor Oakes は次のように述べています。
しかし、光の物理学は、オークス兄弟の発見と技術について何を語っているのでしょうか?実際、かなり多いです。私たちの物語は、1860 年代にジェームス クラーク マクスウェルが電気と磁気が電磁気学に統合され、相互に依存する現象であることを発見したことから始まります。この発見は、光が波状の電場と磁場の波 (電磁波) であり、光の速さで空間を移動することを意味します。
この知識を備えた若きアインシュタインは、次のような思考実験を考案しました。そのようなことはないようです。」この手法は、直感、創造性、および物理学の基本的な理解に基づいています。
アインシュタインは、光の波に追いつき、その上をサーフィンできたら世界がどのようになるかを想像しようとしました。彼は、電磁波が静止していると知覚すると推論した.アインシュタインは、この状況がパラドックスを露呈していることに気付きました。マクスウェルの光の理論では、光の波が静止している状況は決してありませんでした。このパラドックスとその解決策は、相対性理論の発見の核心でした。つまり、光の速度は、追いつくことに非常に近づいたとしても、常に一定の値であるということです。これはどのように可能でしょうか?
アインシュタインは、非常に速く移動している場合、まったく動いていない人に比べて、時計のカチカチが遅くなる可能性があることに気付きました。これは奇妙に思えますが、本当です。つまり、光とほぼ同じ速さで動いていても、時間が遅く感じられ、オブジェクトの移動速度は一定時間内に進む距離に依存するため、それでも光は同じように動いているように見えるということです。まったく動いていない人と同じ速度で。
この相対性理論の中心にあるのは、このパラドックスの解決の結果として、空間と時間が 4 次元の時空連続体で統一されなければならないという認識です。その結果、時間と空間はもはや絶対的なものではなく、移動速度に依存します。さらに、光は空間と時間に別々に存在しません。光は、時間とともに進化する空間に分布する単なる波ではありません。空間と時間のように、光も 4 次元の実体になります。この見方で、アインシュタインは電場と磁場が 4 次元の光波の 3 次元投影であることに気付きました。太陽光が投射する二次元の影が三次元の自己の投影であるのと同じように.
この認識を通じて、双子の球体の使用を理解できます。しかし、もう 1 つ類推が必要です。
池に石を落とすことを想像してみましょう。石を落とすたびに、着弾点から円形の波のパターンが発せられます。水面は 2 次元であり、結果として生じる波は円環として外側に移動します。環境が 3 次元である表面下で擾乱が発生した場合も、同様のことが起こります。その場合、波は膨張する泡のように外側に移動する 2 次元の表面になります。
この物理的な説明は、光にも引き継がれていることがわかりました。この場合、石が水に当たることは、光源が目に向かって移動することに似ています。双子が正しく見つけたので、光の情報はソース (キャンバスの各ポイント) から球状の光の波として出ます。しかし、光が空間を移動するとき、なぜ球形の波の形をとろうとするのでしょうか?これは、光の 4 次元時空記述が不可欠な場所です。そして、ここで私は双子の凹面と球体の表現の背後にある直感に魅了されました.
光が拡大する球状の波面として光源から遠ざかる理由を理解するには、アインシュタインの特殊相対性理論が必要です。光は空間と時間を移動するだけでなく、アインシュタインは空間と時間の構造が光の移動方法を教えてくれたことを教えてくれました。風がヨットの動きを推進するのと同じように、光はいわば時空の風を航行しています。光の波に乗ることに関する彼のパラドックスに対するアインシュタインの解決策は、空間と時間が 4 次元の時空に融合されなければならないということでした。私たちはもはや三次元空間の一点に存在するのではなく、四次元時空の一点に存在します。たとえば、座ってこの記事を読んでいるとき、あなたは特定の時点で 3 次元の空間位置にいます。しばらくすると、あなたは 4 次元時空の別の地点に存在することになります。
これは光に影響を与えます。下の図では、光が空間内の点ではなく、円錐になっていることがわかります
これは、時空のある点で作成され、時空の他の点にどのように移動するかを示しているため、光の正しい図です。時間の経過とともに、光は円錐を描いて未来に向かって進みます。ある時点をたどると、一連の動く円環が得られます。これらの円は、双子が作品で実装した球面波に類似しています。 Bond Street Terrace の作品が頭を悩ませた理由が、今では完全に理解できました。
光線は 4 次元時空の現れです。この光円錐の方程式はよく知られています:X + や + Z – c T =0. この方程式は非常に美しいので、少し説明する価値があります。方程式の左辺が 3 つの空間方向 (X 、Y &Z )、時間 (T)、光速 (c) ）。時間を無視すると、これが 3 次元サーフェスの方程式になります。時間方向を含めると、上の図に示すように、光円錐を表す方程式が作成されます。以下は球面波のコンピューター生成スナップショットで、作成点から発せられる光円錐のさまざまな点をトレースしています。青い領域は、球面波の時間発展を表しています。
双子が、物理学で最も美しく、地球を揺るがすようなアイデアの側面、つまり光の球状放射に、知覚だけで到達したことは、本当に驚くべきことです。さらに驚くべきことは、彼らが直観、実験、および近似を通じて独自の技術を開発することによってこの洞察に到達したことです。これは、優れた理論物理学者が新しい真実を明らかにしたいと考えるのと同じ方法です.
双子の研究は、時空と光が密接につながっていること、そして観測者も密接につながっていることを思い出させてくれ、量子力学と重力の統一についての洞察を与えてくれました。意識的かどうかにかかわらず、オブザーバーを量子重力に組み込む方法の正確な理解はまだ不足しています。それでも双子は、私の研究でこの問題を真剣に受け止めることを思い出させてくれました.オークス兄弟のようなアーティストが、彼ら自身の実験と直感に基づいて物理的な洞察に到達し、採用しているのを見ると、アーティストとの継続的な会話が、未知の概念領域に私を連れて行く余分な衝撃になる可能性が非常に高いという確信が得られます。双子の絵と同じくらい美しい解決策になることを願っています.
Stephon Alexander はブラウン大学の物理学教授で、理論宇宙論と量子重力を専門としています。彼は超弦宇宙論の分野の専門家であり、超弦の物理学を応用して宇宙論における長年の疑問に取り組んでいます。彼はジャズ サックス奏者でもあり、 の著者でもあります。 物理学のジャズ。
