10/26/2019

宇宙はミニ宇宙を含む小さな泡でできている

VICEより

「時空の泡」は、既知の宇宙で最もワイルドなものかもしれませんが、私たちはそれを理解し始めたばかりです。

カーリー・ミンスキー

宇宙定数という難問は1917年以来、物理学者を悩ませてきました。宇宙は何でできているのでしょうか?

このすでに気が遠くなるような問題を複雑にしているのは、私たちの最良の理論が私たちの宇宙の観察と矛盾しているという事実です。科学的フォークロアによると、アルバート・アインシュタインは、この問題全体に触れることに独特の責任を感じており、伝えられるところによればそれを彼の「最大の失敗」と呼んでいます。

本質的に、アインシュタインの一般相対性理論という斬新な理論は、宇宙全体を説明するために使用された場合、持ちこたえられませんでした。一般相対性理論は、時空の「幾何学」をトランポリンのような表面であると説明します。惑星は、表面をゆがめて曲線を描く重いボウリングのボールです。それほど重くないボール(大理石のような)がボウリングボールの近くに置かれた場合、軌道上の惑星の動きのように表面に沿って転がります。従って、軌道は重力の「力」ではなく、時空の曲率によって説明されます。

この提案は、時空の小さな領域を考慮する場合には機能しました。しかし、アインシュタインがそれを宇宙全体に適用したとき、その予測は適合しませんでした。そこで、アインシュタインは「宇宙定数」を導入しました。これは、重力の影響を打ち消す、反重力、反質量、反エネルギーの一種を表す固定値です。しかし、アインシュタインが信じていたように、科学者が宇宙が静的ではなく膨張していることを発見したとき、宇宙定数はゼロに設定され、多かれ少なかれ無視されました。しかし、宇宙の膨張が加速していることを知った後、科学者はアインシュタインの反重力の提案を勝手に無効にすることができなくなりました。

以前は宇宙の空の空間であると仮定されていたものは、宇宙の絶え間ない膨張の観測を説明するために、今や膨大な量の神秘的な反エネルギーで満たされなければなりませんでした。それでも、宇宙の膨張の観測は、エネルギーが最近の場の量子論が予測するものよりも60〜120桁低いことを示唆しています。

これが意味することは、宇宙全体を見ると、この余分なエネルギーのすべてが何らかの形で欠けているということです。それは事実上隠れているか、私たちが知っているエネルギーとは本質的に非常に異なっています。

今日、理論物理学者は、宇宙のいわゆる「時空」の構造を可能な限り小さいスケールで調べることにより、これらの謎を調和させようとしています。驚くべき発見があります。時空は、科学者がかつて想像していたトランポリンのような面ではないかもしれません。それは、自分自身の中に生き死ぬミニ宇宙をすべて含む大量の泡立った泡かもしれません。

時空泡とは何ですか?

宇宙を埋めるものの謎を解こうとするために、科学者たちは実際に泡で満たされている可能性を探求してきました。

1955年、有力な物理学者ジョン・ホイーラーは、量子レベルでは、時空は一定ではなく、絶えず変化する小さな泡で構成された「泡沫(foamy)」であると提案しました。これらのバブルが「作られる」ものに関しては、最近の研究では、時空バブルが本質的に私たち自身の内部で短時間形成されるミニ宇宙であることを示唆しています。

時空の泡の提案は、量子世界の固有の不確実性と不確定性にうまく適合します。時空の泡は、粒子の位置と運動量の量子的不確実性を宇宙のまさしくそのファブリックに広げます。そのため、そのジオメトリは安定しておらず、一貫性がなく、小さなスケールでは固定されていません。

ノースカロライナ大学チャペルヒル校の理論物理学者Y. Jack Ngが電子メールで語ったように、ウィーラーは海面との類似性を使用して時空泡のアイデアを説明しました。

自分が海の上を飛行機で飛んでいると想像して下さい。高地では、海は滑らかに見えます。しかし、下降するにつれて、粗さが現れ始めます。海面に十分近く、泡と泡が見えます。同様に、時空は大規模で滑らかに見えます。しかし、十分に小さいスケールでは、それは粗く泡立ちます。

カリフォルニア大学デービス校のスティーブン・カーリップ教授は、時空の泡が大規模に宇宙定数を「隠す」ことができることを示すホイーラーの量子泡理論に基づいた新しい研究を9月に発表しました。

「宇宙定数問題を解決するための非常に多くの様々な提案があり、私の研究の良い兆候はどれも非常に広く受け入れられていないということです」とカーリップはインタビューで語りました。「アドホックではなく、他の場所から知っている、または疑わしいものから来る可能性のあるアプローチを探す価値があると思いました。」

アイデアは、時空の泡では、時空のすべてのポイントが、量子理論によって予測される膨大な量の真空エネルギー(「空の空間」に相当する最低エネルギー状態)を持っていますが、他のポイントとは異なる動作をするというものです。時空のある点が振る舞う特定の方法では、正反対の時空の別の点で発生する可能性が等しくなります。これは、時空の泡の特徴であり、小さなスケールで余分なエネルギーと膨張を「打ち消し」、結果として宇宙全体のスケールで観測されるエネルギーが低くなります。

これが機能するためには、量子レベルで、時間には本質的な「方向」がないと仮定する必要があります。つまり、「時間の矢」はありません。カーリップによると、量子の世界では、これはそれほど突拍子もない提案ではありません。「ほとんどの物理学者は、なぜ時間の矢があるのかを根本的なレベルで分からないことに同意するでしょう」と彼は言いました。「それが大規模に何らかの形で「姿を現す(emergent)」という考えは長い間存在していました。」

カーリップは時空の泡を「複雑な微視的構造」と呼びます。それは、時空のあらゆる点で小さな膨張および収縮する宇宙によって形成される膨張する宇宙とほぼ考えることができます。カーリップは、時空の拡大する領域がそれぞれ複雑な構造を複製し、それ自体があらゆる点で小さな宇宙で満たされている可能性があると考えています。

2019年8月に発行された別の論文では、このシナリオをより詳細に調査しています。ブリティッシュコロンビア大学の著者Qingdi WangとWilliam G. Unruhは、宇宙の小さなバージョンのように、時空のあらゆる点が膨張と収縮を繰り返すことを示唆しています。彼らは、時空のあらゆる点が「マイクロサイクリック宇宙(microcyclic universe)」であり、特異点からビッグバンに無限に移動し、最終的には繰り返し崩壊すると言います。

宇宙で最も小さなコンピューターと万物の理論

量子泡(quantum foam)は、宇宙定数問題の解決策としてだけでなく、ブラックホール、量子コンピューター、ダークエネルギーなどの物理学の他の謎に対処するためにも、少し時間をかけています。

Ngによる最新の論文は、時空泡が量子的および宇宙論的スケールで現象を最終的に統一し説明する鍵を握り、私たちをとらえどころのない万物の理論 へと動かしていることを示唆しています。そのような理論は、1つの一貫したフレームワークの下で、現在独立しており、時には矛盾する物理学の分野を説明します。

カーリップと同様に、Ngも時空泡のモデルを使用して正の宇宙定数の大きな値を導き出します。しかし、そうするために、彼は量子泡の「泡」を、宇宙で最も小さなコンピューターとして扱い、情報をエンコードおよび処理します。

思い出して下さい: 量子泡には、空間と時間に不確実性の泡が含まれています。Ngは、「泡」の時空がどれだけであるかを測定するために、光信号を送受信し、信号が受信されるのにかかる時間を測定する、時空の球体に集まった時計を含む思考実験を提案します。

「ジオメトリをマッピングするこのプロセスは一種の計算であり、情報の送信と処理によって距離が測定されます」と彼は論文に書いています。

Ngは、エネルギーと量子計算間の他の既知の関係、およびブラックホールの形成を回避するための球体内部の質量の制限を使用して、時空の幾何学を如何に正確に(または不正確に)測定できるかを決定する量子スケール宇宙に組み込まれた不確実性が、これらのバブルコンピューターが保存できる最大情報量とその計算能力を制限すると主張しました。

この結果を時空の孤立したボリュームではなく、宇宙全体に拡張し、Ngは通常の物質では測定タスクから得られる最大量の情報を保存および計算できないので、時空の泡は暗黒エネルギーおよび暗黒物質に等しいことを示しています。

「時空の泡の存在は、熱力学的考慮の助けを借りて、(通常の問題に加えて)暗黒区域の共存を暗示するように見えます」と、NgはMotherboardに言いました。「この一連の研究は物理学コミュニティでは一般的ではありませんが、私にとって(物理的)意味があります。」

Ngの研究からの重要なポイントは、時空の泡を概念的に測定および探索できるだけでなく、量子物理学、一般相対性理論、暗黒エネルギーを結びつけることで宇宙の加速を説明できることです。Ngは、万物の理論が手の届くところにあると考えています。

「最終的に私が探求したいこと、そしてもっと重要なことは、他の人に探求を促したいことは、時空泡の考察を超えて、量子力学と重力の両方が新しい現象であるかどうか、そして熱力学 (その主人公はエントロピーである)は、自然の法則を理解する鍵を握っています」と彼は言いました。

泡研究の未来

概念的には、時空泡は、量子物理学と宇宙論の間の多くの顕著な問題を調和させて説明します。それでも、Ngとカーリップの両者は、時空の本質を真に理解するために、より多くの作業を行うことを求めています。

カーリップは、現在検討中にある理論モデルを補完するため、時空泡の定量モデルに取り組んでいます。彼はそのモデルを「ミニスーパースペース」と呼んでおり、量子宇宙論の交差点で他のアプローチを研究している物理学者が、自分の研究でモデルの例を見つけられることを望んでいます。まず第一に、カーリップは泡モデルをサポートするための数値シミュレーションを検討していると言います。

単純な定量モデルを超えて行くには、すべての実践的なアプローチが必要です。「量子重力、ひも理論、ループ量子重力、漸近的安全性(asymptotic safety)などへの様々なアプローチに取り組んでいる人々に、研究でこの種の現象を探して、接続を確立できるかどうかを確認してもらいたい」 とカーリップは言いました。

Ngは、理論物理学の異なる領域間の境界にまたがる、よりひたむきな研究に対する要望を同調しました。しかし、彼の希望は、量子力学、重力、熱力学を結びつけて宇宙の謎を説明する統一理論に向けてに、さらに大きいです。