時の原点を求めて|物理

次の言葉を並べ替えて、首尾一貫した人生の物語を語ってください。人は死に、後に結婚し、最後に生まれます。組み込みの時間感覚のおかげで、それは非常に簡単です。墓は常に子宮に続き、その逆は決してありません.

しかし、基本的なレベルでは、時間の起源は謎のままです。「これは科学の最前線で最も深い質問の 1 つですが、「時間とは何ですか?」と尋ねると、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所 (IAS) の物理学者、ニマ・アルカニ・ハメドは言う。時間のない物理学、つまり。」

時間がないというのは紛らわしいですが、現実の最も基本的なレベルでは、時間は幻想であるという証拠が増えています。さらに奇妙なことに、レーザー光を使った実験室でのテストと、ストリング理論 (粒子はエネルギーの小さな糸で構成されていると仮定する提案されたフレームワーク) の理解の進歩は、時間は実際には存在しないという考えを独立して指摘しています。

1 世紀と少し前、私たちの時間と空間のイメージはそれほど複雑ではありませんでした。物理学者は、私たちの 3 つの空間次元によって設定された固定された背景を横切って物体を喜んで追跡し、1 つの時計 (宇宙のどこにいても同じ速度で時を刻むと信じていた神のことわざであるストップウォッチ) に対して物体がどれだけ速く移動したかを記録しました。しかし、20 世紀初頭、物理学における 2 つの革命がこの見解を混乱させました。

最初の革命では、アインシュタインの相対性理論が時間と空間を柔軟な 4 次元構造に織り込みました。アインシュタインが「時空」と呼んだその布は、巨大な物体の周りにそれ自体を形成し、曲率を作り出すことができました.小さな物体は、重力と呼ばれる力で宇宙に投資して、より大きな質量に向かってこれらの曲線を転がり落ちる可能性があります.この宇宙の新しい理論では、時間はもはや不変の傍観者ではなく、空間自体に絡み合った相互接続された次元でした.時間は、他者を測定できる明確な次元ではなく、相対的なものになりました。アインシュタインの相対性理論は、時計が空間を移動する速度と、重力で時計を引き寄せる巨大な物体との距離に応じて、異なる速度で時を刻むことを示しました。

私たちの時間の見方を混乱させた 2 番目の発展は、素粒子領域の物理学である量子力学でした。量子力学は、最小のスケールでは、現実は実に奇妙であることを明らかにしました。たとえば、2 つの粒子は、常にタンデムに作用するように「もつれ」ます。どれだけ遠くにいても、実験はすぐにパートナーに影響を与えます。言い換えれば、遠く離れた粒子は即座に通信し、光速よりも速く移動することはできないというルールと、時間自体の概念そのものに明らかに反抗します.

しかし、知られるようになった本当の「時間の問題」は、1960 年代に物理学者がこれら 2 つのフレームワークを組み合わせるのに苦労したときに発生しました。あらゆるサイズのオブジェクトを管理する一連のルールである包括的な「すべての理論」の検索が行われていました。最も有名だが物議を醸している仮説の 1 つは、ニュージャージー州の 2 人の物理学者、プリンストン大学のジョンウィーラーと IAS のブライスデウィットによるものです。ウィーラーとデウィットは、量子力学を通じて宇宙全体を記述しようとしました。つまり、質量スケールの惑星、銀河、およびその他の宇宙構造に非常に小さい物理学を適用しようとしました。 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica の量子物理学者である Marco Genovese は、量子法則が宇宙距離を支配していることを示唆する証拠がなかったため、多くの人が彼らの戦術が機能するかどうか疑問に思っていました。 (INRIM) イタリア、トリノ。しかし、少なくとも 2 つの理論の数学を統合して、何が起こるかを確認することは合理的であるように思われました.

2 人の物理学者がアインシュタインの相対性方程式と量子物理学を結び付けようとしたとき、彼らは驚きを思いつきました。どちらの法則も独立して、事象が進化する変数として時間を特徴付けていました。しかし、これらの理論が 1 つにまとめられたとき、時間変数は数式から文字通り取り消されました。デュオは、宇宙がどのように振る舞うかについての新しい方程式を導き出しましたが、変化や時間の経過をマークするために使用できる数学的記述にはもはや量がありませんでした. 「ウィーラー・デウィットの方程式は、宇宙が静止しており、何も進化しないことを示しています」とジェノベーゼは言います。「しかしもちろん、私たちは皆、時間と変化を経験しています。」

宇宙は決して変わらないという結論は明らかに間違っていました。それでも物理学者たちは、ホイーラーとデウィットが行った数学的手順に何の問題も発見できませんでした。最初は、宇宙全体を量子的に説明できると考えるのは間違いだったに違いないと思われました。しかし、1980 年代に、現在カナダのエドモントンにあるアルバータ大学の物理学者ドンペイジと、マサチューセッツ州ウィリアムズタウンのウィリアムズカレッジのウィリアムウーターズによって提案された、別の興味深い可能性がありました。

ペイジとウーターズは、宇宙全体を巨大な量子物体として扱うことができるという物議を醸す概念を適用することを決定しました。電子、陽子、および素粒子の世界の他の小さな粒子と同じ物理法則に従います。彼らは、宇宙の内容物を 2 つに接合することを想像しました。量子法則が優勢だったので、破片は絡み合っていました。科学者は、実験室で測定された 2 つの絡み合った粒子が等しいが反対の値を持つ可能性があることを発見しました。たとえば、一方が時計回りに回転している場合、もう一方は反時計回りに回転するため、合計すると、プロパティが互いに打ち消し合います。ペイジとウーターズは、同じように、分割された宇宙の各セクションが独立して進化する可能性があると主張しましたが、それらは絡み合っているため、一方の変化は他方の変化によって相殺される.セクションの中にいる人には、時間が経過しているように見えます。しかし、外部の観察者には、宇宙全体が静的に見えるでしょう.

ペイジとウーターズは、量子もつれに基づいて、宇宙が外部から覗き込んでいる誰かにどのように静止しているように見えるかについての理論的なスケッチを提供しましたが、彼らの考えを確認したり除外したりする方法はないようでした.しかし、2013 年に、ジェノベーゼと彼の同僚は、レーザーから生成されたわずか 2 つの光粒子または光子で、宇宙のミニチュアモデルを作成できるかどうかをテストするための実験を行いました。この実験の目的は、量子システムが外側から見ると変化しないように見えるが、内側から観察すると進化しているように見える状況を作り出すことが可能であることを証明することでした.

実験を行うために、ジェノベーゼは光子の偏光、つまり光子が振動する方向を監視することに着手しました。分極粒子を一定の速度で回転させることができれば、時計の秒針のように、任意の時点でのその位置を使用して時間間隔をマークすることができます。チームは、2 つの光子を互いにもつれさせ、その分極が反対の特性を帯びるようにしました。たとえば、一方の分極が上下に動くように測定された場合、もう一方は左右に振動します。

光子の「秒針」を動かすために、チームは両方の粒子を石英プレートに通し、偏光を回転させました。回転の量は、プレート内で費やされた実際の時間に関連していたため、物理学者は時間の経過を測定する手段が得られました。彼らは実験を繰り返し実行し、各実行で異なる瞬間に停止し、光子の 1 つの偏光を測定しました。「最初のクロック光子を測定することで、私たちはそれと絡み合ったのです」と Genovese は言います。「それは、私たちがその宇宙の一部になり、時計の光子に対して2番目の光子の進化を記録できることを意味します。」この能力を与えられたチームは、ウーターズとページが宇宙の別の部分に対して測定した場合に宇宙の一部が進化するのを見ることができると信じていたのと同じように、1 つの光子がそのパートナーに対して測定されると変化するように見えることを確認しました.

しかし、ジェノベーゼは仮説の 2 番目の部分を確認しなければなりませんでした:絡み合ったシステム全体が全体として監視された場合、外部から、それは静的に見えます。実験のこの部分では、チームは宇宙の外に立っている「スーパーオブザーバー」の視点を取りました。この外部ウォッチャーは、どちらの光子の個々の状態も見ることができませんでした。代わりに、観測者は光子のペアの結合状態を測定することしかできませんでした。チームは何度もテストを実行し、さまざまなポイントで停止しました。彼らは2つの光子を全体として見て、それらの結合偏光を測定しました。そのたびに、彼らは、もつれた 2 つの光子が等しく反対方向に偏光していることを確認しました。どれだけ時間が経っても、2つの光子は常にまったく同じ「抱擁」で構えられていました。ミニ宇宙は外から見ると静止しており、まったく変化していないように見えました。時間が量子もつれのアーティファクトである場合、Wheeler と DeWitt によって発見された、いわゆる「時間の問題」を解決できることが判明しました。

過去数十年にわたり、時間の幻想的な性質に対する支持は、1960 年代に開発されたひも理論からも明らかになりました。ひも理論は、素粒子を原子内で結び付ける強力な核力を説明するのに役立ちます。彼らが強い力を研究するにつれて、物理学者は、当時宇宙で最小の物体であると考えられていた亜原子粒子が、実際にはそれ自体が小さな振動するひもで構成されているという考えにたどり着きました.

自然界の基本的なオブジェクトを認識するこの新しい方法は、広範囲に及ぶ結果をもたらしました。ひも理論は、一般相対性理論と量子力学を結びつけたいと考えていたホイーラーやデウィットのような人々にとって非常に役立つことが判明しました。すべての宇宙物質が小さな体積に押しつぶされたビッグバン直後の宇宙がどのようなものであったかを説明するには、このような統一的な枠組みが必要です。統一された理論は、ブラックホールの中心部 (重力の下で崩壊し、物質を小さな中心点に圧縮した星の死体) で何が起こるかを明らかにすることもできます。

超弦理論が発見される前、物理学者は一般相対性理論の方程式と量子力学の方程式を組み合わせようとするたびに問題に遭遇しました。結合された数学は、私たちの周りの宇宙の無限に小さな点が無限に大量のエネルギーを含むべきであることを彼らに伝えているように見えました.しかし、ストリング理論は、ストリングのサイズよりも小さいものはないと仮定することで、この問題を回避しました。つまり、その方程式は、この基本的な制限よりも小さい空間領域を心配する必要がなく、無限エネルギーやその他の不可能な結果の予測による厄介な数学を排除しました。ひも理論では、非常に大きな物理と非常に小さな物理が共存できるかのように見えました。

しかし弦のサイズは、空間の現実、ひいては時間そのものの現実について新たな疑問を投げかけました。これは、ひも理論では、どんなに精巧な実験を行っても、1 本のひものサイズよりも小さい距離で何が起こるかを示すことはできないと述べているためです。「短距離で何が起こるかは、定義が不十分な概念です。空間は存在するかもしれませんが、それを測定することはできません。あるいは、測定するものがまったくないのかもしれません。」つまり、特定の制限を下回るとスペースが存在しない可能性があるということです。アインシュタインは相対性理論で、時間は空間と同じように別の次元であることをすでに示していたので、「空間が曖昧になると、時間も曖昧になるはずです」とザイバーグは言います。「よく聞かれるのは、『ビッグバンの前に何が起こったのか?』ということです。しかし、私たちが見ているのは、宇宙の始まりには、時間の概念が意味をなさないということです。」

このあいまいさは、ひも理論家に、時間は基本的なレベルで存在しないかもしれないという最初の予感を与えた、とザイバーグは指摘する。代わりに、私たちの時間の経験は、原子の集まりの動きから生じる温度のように、基礎となる構成要素から構築される可能性があります.個々の原子には温度がありません。高温または低温の概念は、多数の原子の平均速度を測定する場合にのみ意味があります。高速で移動する粒子は、低速の原子よりも温度が高くなります。同様に、私たちの時間の経験を一緒に生み出す基本的な粒子が存在する可能性があります。しかし、これらの穀物が何であるかは、「それが 64,000 ドルの問題です」と Seiberg 氏は言います。

さらに奇妙なことに、弦理論のその後の進歩は、時間の種が現実のまさに端に蒔かれることを示唆しています。このアイデアは、1990 年代後半に当時ハーバード大学に在籍していたひも理論家のフアンマルダセナによって考案された仮想宇宙の奇妙なモデルに端を発しています。彼は、文字列を使用してそこに到達できると判断しました.

Maldacena の架空の宇宙はスープ缶のような形をしていましたが、壁は無限に遠くにありました。彼は缶の中に糸とブラックホールを入れ、その挙動は重力に支配されていました。缶の表面に、量子力学の法則によって相互作用する通常の亜原子粒子を配置しました。 Maldacena のスープ缶の世界は、私たちの世界とはあまり似ていませんでしたが、自然界の最も深い法則がどのようにつながっているかを視覚化するのに役立ちました。

このモデルでは、一般相対性理論が缶内の広大な 3 次元空間を支配し、量子力学が 2 次元表面を覆う粒子を支配していました。 Maldacena の予感は、2 つの一連の法則は何らかの形で同等であり、缶の内部で展開される重力イベントは、缶の壁に投影された影のように、表面の量子プロセスに対応するというものでした。この数学的モデルを使用して、マルダセナは実際に、表面上のすべての量子プロセスに対して、缶内で同等のイベントが展開されることを発見しました。マルダセナらによって開発された理論モデルは、スープの表面に絡み合った量子粒子が、内部領域内にトンネルまたは「ワームホール」を作成することによってパターンを書き換えることができることを示しています。これは、エンタングルメント自体が、空間と時間の創発的な特性を生成する基本的な宇宙プロセスであることを示唆しています.

空間と時間の両方が量子もつれによって作成されるという考えは、バンクーバーにあるブリティッシュコロンビア大学のひも理論家 Mark van Raamsdonk によって独自に強化されました。数学的モデルを使用して、彼は缶の表面の粒子のもつれを徐々に侵食することによって、缶内の時空構造も崩壊し始めることを発見しました。これは、量子エンタングルメントが何らかの形で空間と時間の糸を結び付ける役割を果たしていることを意味します。それがなければ、時空の構造自体は存在できませんでした.

Maldacena のモデルは、宇宙の成分に関して言えば、エンタングルメントが空間と時間よりも基本的であるという主張をこれまで以上に支持しています。結局のところ、時間は現実の最も基本的な層には存在しません。それは基本的な種から生まれます。しかし、新しい物理学は時間は幻想であることを示唆していますが、それを生み出す力は依然として大きいままです. 「私の直感では、量子物理学の単なる再構築以上のものが必要になるでしょう。完全に左翼からの突破口が必要になるでしょう」と Seiberg は言います。「その革命がどうなるかは、時が経てばわかります。」

Zeeya Merali は、ロンドンを拠点とするフリーランスのサイエンスライターであり、米国を拠点とする Foundational Questions Institute の編集者です。