6/21/2020

重力が他の力と違う理由

QuantaMagazineより

ナタリー・ウォルチョバ

物理学者は、自然界に存在する4つの力のうち3つの力(電磁力、強い核力、弱い核力)を量子粒子の起源に辿ってきました。しかし、4番目の基本的な力である重力は違います。

重力を理解するための現在の枠組みは、アルバート・アインシュタインによって1世紀前に考案されました。リンゴが木から落下したり、惑星が星の軌道に回ったりするのは、時空連続体の曲線に沿って移動するからだと教えてくれます。これらの曲線が重力です。アインシュタインによれば、重力は時空の媒体の特徴です。そのステージでは、他の自然の力が発揮されます。

しかし、ブラックホールの中心付近や宇宙の最初の瞬間には、アインシュタインの方程式は壊れてしまいます。物理学者は、これらの両極端を正確に説明するために、より正確な重力の全体像を必要としています。このより真実味のある理論は、アインシュタインの方程式が他のあらゆる場所で行っているのと同じ予測を行う必要があります。

物理学者は、この真の理論では、重力は自然界の他の力と同じように量子形でなければならない、と考えています。研究者たちは、1930年代から重力の量子論を模索してきました。彼らは、特に重力や他のすべての現象は、微小な振動する弦(ひも)から生じると言う弦理論をはじめとする候補となるアイデアを見つけましたが、これまでのところ、これらの可能性は推測であり、完全には理解されていないのが現状です。重力の実用的な量子論を完成させることは、おそらく今日の物理学における最も高い目標です。

重力をユニークなものにしているのは何ですか? 4番目の力は何が違うのか、その根底にある量子的な説明を見つけるのを何が妨げているのでしょうか? 私たちは、4人の量子重力研究者に質問しました。4つの異なる答えが返ってきました。

重力は特異点を引き起こす

インペリアル・カレッジ・ロンドンの理論物理学者であるクラウディア・デ・ラムは、量子化された重力の単位が質量粒子であると仮定する質量重力の理論に取り組んできました。

アインシュタインの一般相対性理論は、サブミリメートルのスケールから宇宙空間の距離まで、30桁近いスケールで重力の振る舞いを正確に説明しています。これほど正確に、これほど多様なスケールで説明されている自然界の力は他にありません。このように実験と観測と完璧に一致するレベルであれば、一般相対性理論は重力の究極の説明を提供しているように見えるかも知れません。しかし、一般相対性理論は、それ自身の落下を予測しているという点で注目に値します。

一般相対性理論は、ブラックホールやビッグバンが宇宙の起源であるという予測を導き出します。しかし、これらの場所にある「特異点」は、つまり時空の曲率が無限大になりそうな不思議な点であり、一般相対性理論の崩壊を告げるフラグのような役割を果たしています。ブラックホールの中心にある特異点やビッグバンの特異点に近づくと、一般相対性理論から推論される予測は正しい答えを提供しなくなります。空間と時間のより基本的で根本的な説明が必要になります。この物理学の新しい層を発見すれば、空間と時間そのものの新しい理解が得られるかも知れません。

もし、重力が自然界の他の力であれば、より大きなエネルギーとより短い距離に到達することができる工学的な実験によって、重力をより深く探求することができるでしょう。しかし、重力は普通の力ではありません。ある時点を超えて重力の秘密を明らかにするよう、実験装置自体がブラックホールに崩壊してしまうのです。

重力はブラックホールにつながる

マサチューセッツ工科大学の量子重力理論家のダニエル・ハーロウは、量子情報理論を重力やブラックホールの研究に応用したことで知られています。

重力と量子力学を組み合わせることが難しいのはブラックホールが理由です。重力はあらゆる種類の物質が感じる唯一の力なので、ブラックホールは重力の結果としてしかあり得ません。もし、重力を感じないタイプの粒子があったとしたら、その粒子を使用してブラックホールの内側からメッセージを送信することができるため、実際にはブラックホールは黒(ブラック)ではありません。

すべての物質が重力を感じるという事実は、可能な実験の種類に制約をもたらします。どのような装置を作るにしても、それがどのような材料で作られていても、重過ぎてはいけないし、そうでなければ、必然的に重力によってブラックホールに崩壊してしまいます。この制約は、日常の状況では関係ありませんが、重力の量子力学的特性を測定するために、実験システムを構築しようとする場合に不可欠となります。

自然界の他の力についての私たちの理解は、局所性の原理に基づいています。つまり、空間の各ポイントで何が起こっているかを説明する変数(例えば、そこでの電界の強さなど)は、すべて独立して変化する可能性があるということです。さらに、私たちが「自由度」と呼んでいるこれらの変数は、直接隣接するものにしか、直接影響を与えることはできません。局所性は、因果関係を維持するため、現在粒子とその相互作用を説明する方法にとって重要です。マサチューセッツ州ケンブリッジの自由度がサンフランシスコの自由度に依存しているとしたら、この依存性を利用して、2つの都市間の瞬時の通信や、時間を遡って情報を送信することができ、因果関係の違反につながる可能性があります。

局所性の仮説は、通常の環境で非常によく検証されており、量子重力に関係する非常に短い距離にまで及ぶと仮定するのは自然なことに思われます(重力は他の力よりも非常に弱いため、これらの距離は小さい)。これらの距離スケールで局所性が持続することを確認するには、このような小さな距離で区切られた自由度の独立性をテストできる装置を作る必要があります。しかし、簡単な計算では、実験を台無しにしてしまうような大きな量子揺らぎを回避するには、十分に重いその装置は、ブラックホールに崩壊するほどの重さが必要になることが分かっています! 従って、このスケールでの局所性を確認する実験は不可能です。そのため、量子重力はそのような長さのスケールでは、局所性を尊重する必要はありません。

実際、これまでのブラックホールに関する私たちの理解は、量子重力の理論は、他の力の経験に基づいて予想されるよりも自由度が大幅に少ないことを示唆しています。このアイデアは、「ホログラフィック原理」に体系化されています。おおまかに言えば、空間領域の自由度の数は、体積ではなく表面積に比例するということです。

重力は何もないところから何かを生み出す

ニュージャージー州にあるプリンストン高等研究所の量子重力理論家であるフアン・マルダセナは、重力と量子力学の間のホログラムのような関係を発見したことで最もよく知られています。

粒子は、多くの興味深い驚くべき現象を示すことができます。自発的な粒子の生成、遠く離れた粒子の状態間の絡み合い、複数の場所に存在する重ね合わせをもつことができます。

量子重力では、時空自体が斬新な振る舞いをします。粒子を生成ではなく、宇宙を作成します。もつれは、時空の遠く離れた領域間のつながりを生み出すと考えられています。時空の形状が異なる宇宙が重なり合っているのです。

さらに、素粒子物理学の観点から、空間の真空は複雑な物体です。場と呼ばれる多くの実体が互いに重なり合い、空間全体に広がっていると想像できます。各場の値は、短距離で常に変動しています。これらの変動する場とそれらの相互作用の中から、真空状態が生まれます。粒子は、この真空状態での擾乱(disturbances)です。私たちは、真空の構造の小さな欠陥としてそれらを考えることができます。

重力について考えてみると、宇宙の膨張は、何もないところから真空の物質をより多く生み出しているように見えます。時空が作られると、それはたまたま、何の欠陥のない真空に対応する状態になっているだけなのです。どのように真空が正確に正しい配置で現れるのかは、ブラックホールと宇宙論の一貫した量子論的説明を得るために答えを出す必要がある主要な問題の1つです。これらのケースの両方で、一種の時空の伸長のようなものがあり、その結果、より多くの真空物質が作成されました。

重力は計算できない

リーハイ大学の理論物理学者であるセラ・クレモニーニは、超弦理論、量子重力、宇宙論に取り組んでいます。

重力が特別である理由はたくさんあります。アインシュタインの一般相対論の量子バージョンは「くりこみ不可能」であるという考えに焦点を当ててみましょう。これは、高エネルギーにおける重力の振る舞いに影響を与えます。

量子論では、非常にエネルギーの高い粒子がどのように散乱して相互作用するかを計算しようとすると、無限項が現れます。繰り込み理論は、重力以外の自然のすべての力を説明する理論では、これらの無限項を効果的に打ち消す他の量、いわゆる繰り込み項を適切に追加することで、これらの無限項を厳密にで取り除くことができます。この繰り込みプロセスは、非常に高い精度で実験と一致する物理的に合理的な答えを導きます。

一般相対性理論の量子バージョンの問題点は、非常にエネルギーの高い重力子(量子化された重力の単位)の相互作用を説明する計算には、無限に多くの無限項が必要となることです。無限に続くプロセスで、無限に多くの繰り込み項を追加する必要があります。繰り込みは失敗します。このため、アインシュタインの一般相対性理論の量子バージョンは、非常に高いエネルギーでの重力の良い説明にはなりません。それは、重力の主要な機能と成分のいくつかを欠いているに違いありません。

しかし、自然界の他の相互作用に有効な標準的な量子技術を使用すれば、低エネルギーでも重力を完全に近似的に表現することができます。重要な点は、この重力の近似的な説明は、あるエネルギースケールで、あるいはそれに相当する、ある長さを下回ると崩壊するということです。

このエネルギースケール以上、または関連する長さスケール以下では、新しい自由度と新しい対称性を見つけることができると期待されています。これらの特徴を正確に捉えるには、新しい理論的枠組みが必要です。これはまさに弦理論または適切な一般化ぎ必要とされるところです。弦理論によれば、非常に短い距離では、重力子やその他の粒子は、弦と呼ばれる拡張物体であることが分かります。この可能性を研究することで、重力の量子的振る舞いについての貴重な教訓を得ることができます。

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