量子重力とは何ですか?

量子レベルで相互作用する粒子の抽象的な図。

量子重力は、重力が宇宙の最小粒子にどのように作用するかを説明しようとします。 (画像クレジット:Shutterstock)



重力は人類が認識した最初の基本的な力でしたが、それでもほとんど理解されていません。物理学者は、ボウリングのボール、星、惑星への重力の影響を非常に正確に予測できますが、力が微小粒子や量子とどのように相互作用するかは誰にもわかりません。量子重力理論(宇宙の最小の部分に対して力がどのように機能するかについての説明)のほぼ1世紀にわたる調査は、1つの重力ルールブックがすべての銀河、クォーク、およびその間のすべてを支配するという単純な期待によって推進されています。 [ ストレンジクォークとミューオン、オーマイ!解剖された自然の最も小さな粒子(インフォグラフィック) ]

「[量子重力の]理論がなければ、宇宙はただの混沌です。マサチューセッツ工科大学の理論物理学者であるネッタエンゲルハルトは、次のように述べています。 「それらは実際には合法的な物理的プロセスであるため、それが混沌としたりランダムになったりするとは言えません。」





一般相対性理論の端

理論物理学で最も厄介な問題の中心にあるのは、この分野の2つの最大の勝利の間の衝突です。 アルバートアインシュタインの 一般相対性理論は、アイザックニュートンの物体間の単純な引力の概念を、物質またはエネルギーの曲がる空間とその周囲の時間の記述、およびそれらの湾曲した経路をたどる近くの物体が互いに引き付けられているかのように機能するという概念に置き換えました。アインシュタインの方程式では、重力は空間自体の形です。彼の理論は、滑らかで古典的な宇宙の伝統的な記述を維持しました—それはあなたがいつでもより小さな空間のパッチにさらにズームインすることができるものです。

一般相対性理論 天体物理学者がそれに投げかけるすべてのテストをエースし続けます。 アインシュタインが想像もしなかった状況 。しかし、ほとんどの専門家は、宇宙は最終的にはでこぼこで滑らかではないように見えるため、アインシュタインの理論はいつかは不十分になると予想しています。惑星と星は実際には原子の集まりであり、それらは電子とクォークの束で構成されています。これらの粒子は、他の種類の粒子を交換することによって、一緒にぶら下がったり、バラバラになったりして、引力と斥力を引き起こします。



たとえば、電気力と磁力は、仮想光子と呼ばれる粒子を交換するオブジェクトから発生します。たとえば、磁石を冷蔵庫に付着させる力は、滑らかで古典的な磁場として説明できますが、磁場の細部は、それを作成する量子粒子に依存します。宇宙の4つの基本的な力(重力、電磁気学、および強い核力と弱い核力)のうち、重力だけが「量子」の記述を欠いています。その結果、重力場がどこから来ているのか、または個々の粒子がそれらの内部でどのように作用するのかを確実に知る人は誰もいません(アイデアはたくさんありますが)。

奇妙な力

問題は、重力が私たちを地面に固定し、一般的に力として作用するにもかかわらず、一般相対性理論はそれがもっと何か、つまり空間自体の形であることを示唆しているということです。他の量子論は、空間を、粒子がどれだけ速く飛ぶかを測定するための平らな背景として扱います。粒子の空間の曲率を無視すると、重力が他の力よりもはるかに弱いため、電子のような小さなものにズームインすると空間が平らに見えるため、機能します。重力と空間の曲率の影響は、惑星や星のように、よりズームアウトされたレベルで比較的明白です。しかし、物理学者が電子の周りの空間の曲率を計算しようとすると、わずかなことかもしれませんが、計算は不可能になります。



1940年代後半に物理学者 技術を開発しました 、繰り込みと呼ばれる、の気まぐれに対処するための 量子力学、 これにより、電子はさまざまな方法で退屈な旅を盛り上げることができます。たとえば、フォトンを発射する場合があります。その光子は、電子とその反物質の双子である陽電子に分裂する可能性があります。これらのペアは、より多くのフォトンを放出し、より多くの双子に分割することができます。完全な計算には無限の種類の電子ロードトリップを数える必要がありますが、繰り込みにより、物理学者は手に負えない可能性を電子の電荷や質量などのいくつかの測定可能な数に集めることができます。彼らはこれらの値を予測することはできませんでしたが、実験の結果をプラグインし、それらを使用して、電子がどこに向かっているのかなど、他の予測を行うことができました。

重力子と呼ばれる理論上の重力粒子がシーンに入ると、繰り込みは機能しなくなります。重力子には独自のエネルギーもあり、それによって空間のゆがみが増え、重力子が増えてゆがみが増え、重力子が増えるなど、一般に巨大な数学的混乱が発生します。物理学者が実験的に測定するためにいくつかの無限大を一緒に積み上げようとしても、彼らは無限の数の山に溺れてしまいます。

「それは事実上、何かを決定するために無限の数の実験が必要であることを意味します」とエンゲルハルトは言いました、「そしてそれは現実的な理論ではありません。」

一般相対性理論は宇宙は滑らかな布であると言い、量子力学はそれを言います

一般相対性理論によれば、宇宙は滑らかな布地であり、量子力学はそれが粒子のでこぼこした混乱であると言っています。物理学者は、それが両方になることはできないと言います。(画像クレジット:Shutterstock)

実際には、粒子の周りの曲率を処理できないこの失敗は、大量の質量とエネルギーが空間を非常に緊密にねじり、電子とその同類でさえ注意を払わざるを得ない状況で致命的になります。 ブラックホール 。しかし、時空の穴の非常に近くにある、またはさらに悪いことに、内部にある粒子は、物理学者が知らなくても、交戦規定を確かに知っています。

ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の所長であるロバート・ダイクグラーフは、「自然はブラックホールを存在させる方法を見つけました」と述べています。 書きました 研究所の出版物で。 「今、自然が何を知っているかを知るのは私たち次第であり、私たちはまだ知りません。」

重力を折り目にもたらす

一般相対性理論の近似(エンゲルハルトはそれを「バンドエイド」と呼んだ)を使用して、物理学者は重力子がどのように見えるかについての概念を開発しましたが、誰もすぐに重力子を見ることを期待していません。ある思考実験はそれがかかることを示唆している 100年の実験 木星と同じくらい重い粒子衝突型加速器によって1つを検出します。それで、その間、理論家は宇宙の最も基本的な要素の性質を再考しています。

として知られている1つの理論 ループ量子重力 は、空間と時間を少しに分割することにより、粒子と時空の間の競合を解決することを目的としています。これを超えるとズームを実行できない究極の解像度です。

ストリング理論 別の人気のあるフレームワークである、は別のアプローチを取り、粒子を繊維のような文字列に交換します。繊維のような文字列は、点のような文字列よりも数学的に優れた動作をします。この単純な変更は複雑な結果をもたらしますが、1つの優れた機能は、重力が数学から外れることです。アインシュタインと彼の同時代人が一般相対性理論を開発したことがなかったとしても、物理学者は後で弦理論を通してそれに遭遇したであろうとエンゲルハルトは言った。 「それはかなり奇跡的だと思う」と彼女は言った。

エンゲルハルトによれば、弦理論家は、ここ数十年で生産的な軌道に乗っているというさらなるヒントを明らかにしました。簡単に言えば、宇宙の概念自体が、物理学者を宇宙のより基本的な構造からそらす可能性があります。

理論家は1990年代後半に、重力を含む単純な箱のような宇宙の記述を発見しました。 数学的に同等でした 量子物理学のみ(重力なし)の平らな宇宙の写真に。説明の間を行ったり来たりする能力は、宇宙が宇宙の基本的な要素ではなく、粒子の相互作用から生じる副作用である可能性があることを示唆しています。

宇宙の構造に埋め込まれた人間が想像するのは難しいかもしれませんが、宇宙と粒子の関係は、室温と空気分子の関係のようなものかもしれません。物理学者はかつて熱を暖かい部屋から冷たい部屋に流れる流体と考えていましたが、分子の発見により、私たちが温度として感じるものが空気分子の平均速度から「現れる」ことが明らかになりました。宇宙(そして同等に重力)も同様に、いくつかの小規模な現象の私たちの大規模な経験を表すかもしれません。 「弦理論の範囲内で、この時点で、宇宙が実際に出現しているというかなり良い兆候があります」とエンゲルハルトは言いました。

しかし、箱の中の弦理論の宇宙は、私たちが見ているものとは異なる形をしています(ただし、エンゲルハルトは、量子重力がすべての可能な宇宙の形に対して同じように作用する可能性があるため、この違いは取引を妨げるものではないかもしれないと言いました)。ボックスユニバースからの教訓が実際に当てはまるとしても、 数学的枠組みは依然として荒い 。物理学者は、宇宙との理論的な結びつきを断ち切り、そのすべてのでこぼこの栄光の中で量子重力の正確な記述を達成するまでには長い道のりがあります。

彼らはそれぞれの理論で実質的な数学的ねじれを解明し続けていますが、一部の物理学者は、彼らの天体物理学的観測がいつか彼らを正しい方向に動かすかもしれないことを望んでいます。これまでの実験は一般相対性理論の予測から逸脱していませんが、将来的には、多くの波のサイズに敏感な重力波検出器の多様な配列が重力子の微妙なささやきを捕らえる可能性があります。しかし、エンゲルハルト氏は、「私の本能は、粒子衝突型加速器ではなく、宇宙を見ることだろう」と述べた。

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