日常生活について何かを言うときはいつでも、スケールが暗示されます。やってみて。 「私は忙しすぎる」は、想定された時間スケールでのみ機能します。たとえば、今日、または今週です。今世紀でも、このナノ秒でもありません。 「税金が面倒」というのは、特定の所得範囲でしか意味がありません。などなど。
確かに、同じ制限は科学には当てはまりません、とあなたは言うかもしれません。結局のところ、科学的手法が導入されてから何世紀にもわたって、事前に経験的にこれを確信することはできなかったとしても、すべてのスケールに絶対に当てはまる理論があるというのが一般通念でした。たとえば、ニュートンの万有引力の法則は、結局、万能でした!それは落下するリンゴと落下する惑星に同様に適用され、太陽の下とその上で行われたすべての重要な観測を説明しました.
相対性理論、特に一般相対性理論の出現により、ニュートンの万有引力の法則は、より基本的な理論の近似値にすぎないことが明らかになりました。しかし、より基本的な理論である一般相対性理論は数学的に美しいので、質量とエネルギーの存在下での空間と時間の振る舞いを完全かつ完全に成文化したと仮定するのが合理的であると思われました.
量子力学の出現はすべてを変えました。量子力学を相対性理論と組み合わせると、意外なことに、物質とエネルギーを支配する物理法則の詳細な性質は、実際にはそれらを測定する物理スケールに依存することがわかります。これは、おそらく 20 世紀で最大の知られざる科学革命につながりました。経験的世界と接触し、絶対的かつ常に真実であるという理論を私たちは知りません。 (ひも理論家の希望にもかかわらず、私はこれがすぐに変わるとは思いません。) それにもかかわらず、理論物理学者は、まさにこの種の理論を追求することにかなりのエネルギーを費やしてきました。それで、何が起こっているのですか？普遍的な理論は正当な目標ですか、それとも科学的真実は常に規模に依存しますか?
量子力学と相対論の組み合わせは、即時のスケーリングの問題を意味します。量子力学の中心にあるハイゼンベルグの有名な不確定性原理は、小規模な短時間では、素粒子の挙動を完全に制約することは不可能であることを意味します。エネルギーと運動量には、決して減らすことができない固有の不確実性があります。この事実を特殊相対性理論と組み合わせると、小さな体積に存在する粒子の数を短時間だけ制限することさえ実際にはできないという結論になります。いわゆる「仮想粒子」は、その存在を直接測定できないほど短い時間スケールで真空に出入りする可能性があります。
これの顕著な効果の 1 つは、電子間の力を測定する場合、たとえば、実際に測定される電子の電荷 (電気力の強さを決定するもの) は、測定するスケールに依存することです。電子に近づくほど、電子を取り囲む仮想粒子の「雲」の内部に深く入り込みます。正の仮想粒子は電子に引き付けられるため、雲に深く入り込むほど、正の雲が少なくなり、電子の負電荷が多くなります。
次に、2 つの粒子間の力の計算に着手するときは、力の測定中に空の空間から飛び出す可能性のあるすべての仮想粒子の効果を含める必要があります。これには、任意に大量の質量とエネルギーを持ち、任意に短い時間だけ出現する粒子が含まれます。このような効果を含めると、計算された力は無限になります。
リチャード ファインマンは、あいまいなさまざまな無限大を抽出した後、有限の残留力を一貫して計算する方法に到達したことでノーベル賞を受賞しました。その結果、電子の磁気モーメントなどの量を基本原理から有効数字 10 桁まで計算し、他の科学分野では達成できないレベルの実験と比較できるようになりました。
しかし、ファインマンは自分が成し遂げたことに最終的に失望しました。これは、1965 年のノーベル賞の講演で明らかになったことです。彼は次のように述べています。彼は、理にかなった完全な理論はそもそも無限大を生み出すべきではなく、彼や他の人が開発した数学的トリックは最終的には一種のクラッジであると考えました.
しかし今、私たちは物事を別の方法で理解しています。ファインマンの懸念は、ある意味で的外れでした。問題は理論にあるのではなく、自然の正確な説明を提供するスケールを超えて理論を推し進めようとしたことにありました.
任意に大きな質量とエネルギーを持つ仮想粒子によって生成される無限が物理的に関連しないのには理由があります。それらは、理論が完全であるという誤った推定に基づいています。別の言い方をすれば、理論はあらゆるスケールで物理学を説明し、距離と時間の任意の小さなスケールでさえも説明します.しかし、私たちの理論が完全であることを期待するなら、それは何かの理論を持つ前に、 、最初にすべての理論を持たなければなりません —これまでに発見されたすべての素粒子と、まだ発見されていないすべての素粒子の効果を含む理論です!それは良くても非現実的であり、最悪の場合は不可能です.
したがって、理にかなっている理論は、実験室で測定できるスケールでは、はるかに小さな距離スケール (または可能性は低いですが、はるかに大きなスケール) で発生する可能性のある新しい物理学の影響に対して鈍感でなければなりません。これは単なる一時的な問題の実用的な回避策ではなく、自然の記述がますます良くなるにつれて解消されると予想されます。私たちの経験的知識は常に部分的に不完全である可能性が高いため、私たちが調査できる宇宙のその部分を説明するために機能する理論は、実際の必要性により、現在の範囲を超えるスケールで起こり得る新しい物理学に鈍感になります.これは私たちの認識論の特徴であり、量子力学と相対論の両方が重要になる極端なスケールを探求し始める前に、私たちが十分に理解していなかったものです.
これは、私たちが自然界に持っている最高の物理理論である、電子と光の間の量子相互作用を説明する量子電気力学にも当てはまります。ファインマンの先導に従って、理論が生み出す無限を罰せずに捨てることができる理由は、それらが人工的だからです。それらは、おそらくもはや有効ではない領域に理論を外挿することに対応しています。ファインマンが、これらの無限大を巧みに操ることに成功したことに失望したのは間違いでした。それは、当時調べられていたよりもはるかに小さなスケールでの新しい物理学を理解することなく、彼ができた最善のことでした。半世紀後の今日でも、量子電気力学がもはや正しい記述ではないスケールで引き継がれている理論自体は、さらに小さなスケールで崩壊することが予想されます.
物理理論におけるスケールの話には別の物語があります。理論を個々のドメインに合法的に分離するのではなく、スケーリングの議論は、理論間の隠れたつながりを明らかにし、元の理論を包含し、それ自体がより広い範囲で適用される新しい統一理論への道を示しました.
たとえば、ヒッグス粒子の発見に関連する過去数年間の騒ぎはすべて、量子電気力学を弱い相互作用と呼ばれる別の力と統合する理論の最後のミッシングリンクであったという事実によるものでした。これらは自然界で知られている 4 つの力のうちの 2 つであり、表面上は非常に異なっているように見えます。しかし今では、非常に小さなスケールで非常に高いエネルギーがあれば、この 2 つの力は電弱力と呼ばれる同じ基本的な力の異なる発現として理解できることがわかりました。
スケールはまた、物理学者が自然のもう 1 つの基本的な力である強力な力をより広い理論に統合しようとする動機にもなりました。陽子と中性子を構成するクォークに作用する強い力は、1973 年まで理解されませんでした。その年、3 人の理論家、David Gross、Frank Wilczek、David Politzer は、まったく予想外で注目すべきことを示しました。彼らは、量子色力学と呼ばれるこの力を説明する候補理論が、量子電気力学と同様に、「漸近的自由」と呼ばれる特性を持っていることを実証しました。
漸近的自由は、クォークが互いに近づくにつれて、クォーク間の強い力を弱めます。これは、「スケーリング」として知られるようになった実験的現象 (陽子内のクォークが、高エネルギーと短距離で独立した非相互作用粒子であるかのように振る舞うように見える現象) を説明しただけでなく、自由空間がない理由を説明する可能性も提供しました。クォークは自然界で観測されています。強い力が近距離で弱くなった場合、それはおそらく遠距離では十分に強くなり、フリー クォークがパートナーから逃れることはありません。
強い力は近距離で弱くなり、弱い力と結合する電磁気は近距離で強くなるという発見により、1970 年代に理論家は十分に小さなスケールで、おそらく 15 桁小さいスケールであると提案するようになりました。陽子のサイズでは、3 つの力 (強い力、弱い力、電磁気力) すべてが、大統一理論として知られるようになった単一の力として統合されます。過去 40 年間、私たちはこの直接的な証拠を探してきました。実際、ラージ ハドロン コライダーは、3 つの力のスケーリングが適切であるために必要と思われる新しい素粒子のセット全体を探しています。しかし、間接的な証拠はあるものの、直接発煙筒はまだ発見されていません.
当然のことながら、既知の 4 つの力のうち 3 つを統合しようとする取り組みは、4 つ目の力である重力をミックスに組み込むためのさらなる取り組みにつながりました。これを行うために、重力自体は単なる効果的な理論であり、十分に小さいスケールでは他の力と融合するという提案がなされましたが、それは自然界に私たちが観察していない多くの余分な空間次元がある場合に限られます.しばしば超弦理論と呼ばれるこの理論は、1980 年代と 1990 年代に理論家の間で大きな興奮を引き起こしましたが、今日まで、それが私たちが住んでいる宇宙を実際に説明しているという証拠はありません.
もしそうなら、それはユニークで新しい機能を持っています.超弦理論は、最終的には無限大をまったく生成しない可能性があります。したがって、どんなに小さくても、すべての距離スケールに適用できる可能性があります。この理由から、それは「すべての理論」として知られるようになりましたが、実際には、理論のすべてのエキゾチカが実際に現れるスケールは非常に小さいため、予見可能な実験的測定が行われる限り、本質的に物理的に無関係です.心配してください。
物理的現実に対する私たちの理解のスケール依存性が認識されたことで、時間の経過とともに、提案された理論 (ひも理論) にたどり着きました。その努力は、より小さなスケールで現実を理解することに成功した後、成功に慣れている理論物理学者による見当違いの大胆さの反映ですか?
その質問に対する答えはわかりませんが、少なくとも懐疑的であるべきです。弦理論に関連するものほど壮大な外挿が、直接的な実験結果や観測結果に基づいていないものであり、成功した自然モデルを提供した例はこれまでのところありません。さらに、超弦理論について学べば学ぶほど複雑に見え、その普遍性に対する初期の期待の多くは楽観的だったかもしれません.
少なくとも、ファインマンがかつて推測したように、自然は膨大な数の層を持つタマネギのようなものである可能性があります.各層を掘り下げると、既存の美しい理論が新しいより大きなフレームワークに組み込まれていることに気付くかもしれません。そのため、発見すべき新しい物理学が常に存在し、変更なしに空間と時間のすべてのスケールに適用される最終的で普遍的な理論が存在することはありません.
どの道が現実への道であるかは、つかみどころです。発見への正しい道筋を知っていたら、それは発見ではありません。おそらく、私自身の好みは、物理学者の雇用が安定しているという誤った希望に基づいているだけです!しかし、解決すべき謎が永遠に存在する可能性も気に入っています。ミステリーのない人生は、どんな規模でも非常に退屈になる可能性があるからです。
ローレンス・M・クラウスは理論物理学者であり宇宙論者であり、アリゾナ州立大学の地球宇宙探査学部のオリジンズ プロジェクトのディレクターであり、財団教授でもあります。彼はまた、ベストセラーの本の著者でもあります。 無からの宇宙 そして スタートレックの物理学.
