1990 年代半ばに、私は数学を勉強しました。自分の人生で何をしたいのかよくわかりませんでしたが、自然界を説明する数学の力に畏敬の念を抱きました。微分幾何学とリー代数の授業の後、基礎物理学の最大の問題、つまり重力を量子化し、それによって自然のすべての力を 1 つの理論的な傘の下に置く方法について、数学科が提供する一連のセミナーに出席しました。セミナーは、ペンシルベニア州立大学の Abhay Ashtekar によって開拓された新しいアプローチに焦点を当てていました。それは私が以前に遭遇した研究ではなく、問題が解決されたという印象を受けました。ニュースはまだ広まっていませんでした。
純粋な思考の明らかな勝利のように思えました。数学的一貫性の要件は、たとえば、ヒッグス粒子の発見にもつながりました。ヒッグス粒子がなければ、粒子物理学の標準モデルは、大型ハドロン衝突型加速器の範囲内で、1 テラ電子ボルトを超えるエネルギーで衝突した粒子に対して機能しなくなります。確率を足しても 100% にならなくなり、数学的に意味をなさなくなります。したがって、そのエネルギーが交差すると、何か新しいものが現れなければなりませんでした。ヒッグスは、物理学者が考えることができる最も単純な可能性でした — そして、案の定、彼らはそれを見つけました.
1920 年代から 30 年代にかけて、アインシュタインの特殊相対性理論と量子力学の元のバージョンとの間の数学的不一致により、場の量子論が生まれ、後に標準モデルの基礎となりました。特殊相対性理論とニュートン重力との間の数学的矛盾は、重力に関する最先端の理論である一般相対性理論を生み出しました。現在、物理学者は、標準モデルと一般相対性理論との間の不一致に取り残されています。もちろん、重力の量子論の形でのその解決策は、以前のケースと同じくらい啓示的であると期待しています.
しかし、年月が経つにつれ、自分たちも問題の解決に近づいていると信じている別の方法を使用する他の研究者のことを知りました。ひも理論、ループ量子重力、因果的動的三角測量、漸近的に安全な重力、因果集合:これらの研究プログラムの実践者は、数学の力だけを使用して自然を解読できると同様に確信していました。それらが異なっていたのは、一部の人が数学的導出で誤りを犯したからではなく、異なる仮定から始めたからです。数学は演繹を実行するためのツールですが、その仮定よりも優れた数学的結論はありません。論理だけでは、物理理論を決定するのに十分ではありません。どの理論が自然を説明しているかを知る唯一の方法は、実験的なテストです.
しかし、異なるアプローチに取り組んでいる人たちが互いに話すことは、あったとしてもめったにありません。もしそうなら、彼らは決して同意しませんでした。そして、なぜ彼らは？実験的証拠がない場合、彼らは同意する理由がありません。そのため、数学が積み上げられ、何万もの記事が書かれ、何百もの会議が開催されました。しかし、明確な解決策を提供するアプローチはありません。数十年が成功せずに過ぎたとき、疑いが量子重力の探求に影を落とし始めました.
逆説的に言えば、90 年代には、量子重力の観測証拠を見つける方法に取り組んでいる人さえほとんどいませんでした。それは不可能だと考えられていました。量子重力の影響は極めて弱い。物理学者は、推定上の重力粒子 (グラビトン) を検出する確率を見積もっており、中性子星の周りの軌道に木星サイズの検出器を配置したとしても、その可能性はわずかであることを発見しました。
しかし、重力子を直接検出することが、量子重力の証拠を見つける唯一の方法なのでしょうか?それは私を手放すことのできない質問でした。 90 年代後半までに、私は物理学の勉強に切り替えました。量子重力に取り組んでいるほとんどの物理学者は、自分たちの数学が最終的に道を示すと今でも信じています。私にはその信頼がありません。しかし、私は量子重力が実験的にアクセスできないという悲観論も持っていません。それどころか、私が生きているうちに、重力が量子化されていることを実験的に実証することに成功することを慎重に期待しています.
今日、量子重力の実験的証拠を探している私たちは、独自の研究上の問題に直面しています。理論もデータもありません!しかし、一般に受け入れられている量子重力理論がなくても、さまざまな候補理論で発見されている、量子重力に期待される一般的な特性を調べることができます。
たとえば、いくつかの理論は、時空が離散的であることを示唆しています。もしそうなら、結晶が欠陥を持っているのと同じように、欠陥を持っている可能性があり、その欠陥は光をその経路から外し、遠くのクエーサーの画像をぼかす可能性があります.いくつかの理論では、時空は一種の基質または流体であると示唆されています。その場合、真空でさえ、粘性 (蜂蜜のようにそれ自体を引きずる) や分散 (光の色を分離させる) などの物質特性を持つ可能性があります。いくつかの理論は、一般相対性理論で尊重されている対称性の破れを予測しています。他の人は、時空の量子ゆらぎが敏感な量子システムを乱す可能性があることを指摘しました。これらすべてを検索できます。
まだ何も見つかっていないことはご存知でしょう。そうでなければ、聞いたことがあるでしょう。しかし、ゼロの結果でさえ、理論開発の貴重なガイドです。彼らは、例えば、時空が規則的な格子である可能性など、いくつかのアイデアは観測と両立しないことを教えてくれます.
もちろん、実際の信号があればもっとエキサイティングです。近年、私たちはその目標を達成するためのいくつかの新しい機会を特定することができました.原始重力波を考えてみましょう。初期宇宙におけるこれらの小さな時空変動は、宇宙のマイクロ波背景放射に明確な痕跡を残したはずです。 2014 年に、BICEP2 コラボレーションはその痕跡を測定したと主張しました。主張は誤りであることが判明しましたが、これは波がそこにないことを意味するものではありません.それは、彼らが見つけるのにより多くの努力を要することを意味するだけです.そして、それらを検出した場合、モデル構築の指針となる量子特性を持っているはずです。アリゾナ州立大学のローレンス・クラウスとマサチューセッツ工科大学のフランク・ウィルチェクは、原始重力波の検出は重力を量子化する必要があることを示すだろうと主張した.彼らの主張は単純すぎるが、Vincent Vennin と Eugenio Bianchi は独立して、量子ゆらぎと非量子ゆらぎを区別できるマイクロ波背景データの分析を見つけようとしている.
次に、ブラックホールがあります。ブラック ホールの物理は、量子重力の主要な研究テーマです。長い間、量子重力効果はブラック ホールの中心近くでのみ関係があり、ホールの境界を示す地平線の後ろに隠れているため、外部からは測定できないというのがコンセンサスでした。しかし、ここ数年、このコンセンサスは揺らいでいます。たとえば、ある理論的議論は、ブラック ホールが「ファイアウォール」、つまり落下する物質を破壊する物質表面に囲まれていることを示唆しています。私や他の人々はこの議論に疑問を呈してきましたが、量子重力効果が地平線に現れるかもしれないと考える唯一の理由ではありません.
もしそうなら、ブラックホールを観察することで、量子重力に関する情報が明らかになる可能性があります。ロング アイランド大学の Michael Kavic は、ブラック ホールの周りの軌道にある中性子星で構成される連星系を検索することを提案しました。中性子星は電波を放出しており、そのビームがブラック ホールの地平線を傷つけると、観測されるパルスはホールの構造の影響を受けます。別のアプローチとして、ペリメーター研究所の Niayesh Afshordi は、ブラックホールの合体によって生成される重力波を研究しています。新たに融合したブラック ホールが最終的な形状に落ち着くと、量子効果が現れる可能性があります。
しかし、最も有望なアイデアは、まったく予想外の方向から生まれました。重力場を量子化できれば、システムが同時に異なる状態にある重ね合わせなどの特徴的な量子挙動を示すはずです。
量子の振る舞いの代表的な例である二重スリット実験を考えてみましょう。 2本のスリットを切ったスクリーンに電子ビームを当てると、電子は独特の波模様を形成します。そのパターンを作成するには、各電子が両方のスリットを同時に通過する必要があります。これらの 2 つの経路は重なり合っています。しかし、電子には質量があり、重力場に影響を与えます。電子が量子重ね合わせにある場合、その場も量子重ね合わせにあるはずです。それは非常に奇妙な考えです。同じことが地球全体に起こった場合、木から落ちたリンゴは 2 つの異なる重力場を経験し、同時に 2 つの異なる方向に落下します。これは、量子力学と一般相対論の非互換性を示しています。場の重ね合わせは、本質的に量子重力になります。
単一の電子の重力場は弱すぎて測定できないため、これまでのところ、そのような効果は見られていません。しかし、近年、さまざまな実験グループが、はるかに大きな天体の重ね合わせを作成しています。現在の技術水準は約ナノグラムです。 Markus Aspelmeyer とウィーンの彼のグループは、ミリグラムほどの質量の重力を測定する野心的なプロジェクトに着手しました。量子物体の重力場を測定できる日もそう遠くないでしょう。
同様のアプローチをとって、クイーンズ大学ベルファストのマウロ・パテルノストロと彼の共同研究者たちは、量子化された重力場と量子化されていない重力場を区別する特徴を正確に突き止めようとしています。彼らのアプローチは、典型的な量子特性であるエンタングルメントに焦点を当てています。エンタングルメントでは、個別のオブジェクトの特性が相関しています。重力で相互作用する 2 つのオブジェクトを考えます。それらの間の相関関係は、フィールドが量子化されているかどうかによって異なります。これらの相関関係を測定することで、フィールドの量子化について何かを知ることができるはずです.
科学が経験的検証を必要とすることは古いニュースですが、残念ながら自然の謎を解明するには内省で十分であるという多くの古代の哲学者の夢は、量子重力に取り組んでいる理論家の間で生き続けています.結局のところ、精神的な体操は、どんなに洗練されていても、仮定の選択において常に美的または哲学的な好みに帰着します.量子重力に関する文献の多くは、これらの好みを数学の山の下に埋めることに専念しています。
私が最初に量子重力について聞いてから 20 年経った今でも、この分野は数学的一貫性に依存する人々によって支配されています。しかし、私のように、量子重力を実験的にテストする可能性を研究している人は、より多くなっています.そして、数学的方法の失敗が明らかになればなるほど、前に進む唯一の方法は実験的証拠を探すことであることが明らかになります.それがどんなに困難であっても.最初のステップは、重力が量子化されていることを実証することです。それから、重力現象の全範囲を調べ始めることができます。そうすることで、数学から物理学への量子重力を促進します.
そして、物理学になるものは工学になる可能性があります。私の同僚の多くとは対照的に、重力を量子化する方法を理解することは実際に役立つと思います。このような理論は、空間と時間だけでなく、一般的な量子システムについての理解を深めるでしょう。それは長い旅になるでしょう。しかしその後、アリストテレスの 4 つの要素から今日の 4 つの力に至るまでに 2,000 年かかりました。私たちは長い道のりを歩んでいます.
Sabine Hossenfelder は、フランクフルト高等研究所のリサーチ フェローです。彼女は backreaction.blogspot.com でブログを書いており、@skdh としてツイートしています
参考文献
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