時空はピクセル化されているか?

時空はピクセル化されているか?デジタル写真を見るのと同じように、何倍にも拡大すると、ピクセルを一つずつ見ることができます。もし時空が極めて小さなスケールで量子化されていれば、つまり重力やその他の粒子が出現する泡立った粒子の海であれば、表面のさざ波、つまり量子重力の観測可能な兆候を検出できるかもしれない。これは量子重力を解くために理論物理学者によって現在提案されている解決策であり、実験的にテストする準備ができています。

ホワイトニー・クラビン著

翻訳 |張怡

量子重力の特性に関する研究の進歩

遠くから見ると砂丘は、砂漠に敷き詰められたシルクのシーツのように滑らかでしわがないように見えます。しかし、よく見ると、より多くの詳細が明らかになります。砂丘に近づくと、砂に波紋があることに気づくかもしれません。表面に触れると、砂の粒が一つ一つあるのがわかります。デジタル画像でも同じことが言えます。一見完璧に見える肖像画を十分に拡大すると、画像を構成する無数の異なるピクセルが見つかります。

宇宙自体も同じようにピクセル化されているのかもしれません。カリフォルニア工科大学の物理学教授ラナ・アディカリ氏らは、私たちが住む空間は完全に滑らかではなく、極めて小さな個別の単位で構成されていると考えている。 「時空のピクセルは非常に小さいので、それを砂粒の大きさに拡大すると、原子は銀河と同じくらいの大きさになるだろう」と彼は語った。

アディカリ氏と世界中の物理学者たちがこのピクセル化を探しているのは、それが現代の物理学における最も深い謎の一つである量子重力の予測だからだ。量子重力とは、一般相対性理論によって支配される巨視的な重力の世界と、量子物理学の微視的な世界を統一することを目指す、弦理論を含む一連の理論を指します。パズルの核心は、重力とそれが存在する時空が「量子化」できるかどうか、つまり量子世界の特徴である個々の構成要素に分解できるかどうかだ。

「科学コミュニケーションにおいては、量子力学と重力は両立できないと誤解されることがある」とカリフォルニア工科大学の理論物理学教授クリフォード・チャン氏は言う。 「しかし、実験から、重力のあるこの惑星で量子力学を実行できることがわかっており、それが一貫していることは明らかです。問題は、ブラックホールに関する微妙な問題、または非常に短い距離スケールでそれらを統一しようとすることです。」

「重力はホログラムだ。」

—モニカ・ジンウ・カン

関係するスケールが極めて小さいため、近い将来に量子重力の証拠を見つけることは不可能だと考える物理学者もいる。研究者たちは、ブラックホールの周りなど、その存在の手がかりを見つける方法についてさまざまなアイデアを提案してきましたが、初期の宇宙では;国立科学財団が資金提供している重力波を検出する観測所 LIGO を使用しても、自然界で量子重力の痕跡を発見した人は誰もいません。

理論物理学教授のキャサリン・ズレック氏は、この状況を変えたいと考えている。彼女は最近、量子重力の兆候を観測する方法を研究するために、ハイジング・サイモンズ財団の資金提供を受けて、新たな複数機関の共同研究組織を設立した。 「量子重力とその観測的特徴（QuRIOS）」と呼ばれるこのプロジェクトは、量子重力の正式なツールには精通しているが実験の設計経験がほとんどない弦理論家と素粒子理論家、そして実験は得意だが量子重力の分野では研究していないモデル構築者を結集している。

「量子重力の観測可能な兆候が見つかるかもしれないという考えは、主流からはかなり離れている」と彼女は語った。 「しかし、量子重力を私たちが住む自然界と結びつける方法を検討し始めなければ、私たちは砂漠で迷子になってしまうでしょう。観測上の特徴があるという観点から考えると、私たち理論家がつながり、新しい問題に取り組む上で前進することができます。」

ラナ・アディカリ（左）とキャサリン・ズリック（右）。画像提供: ランス・ハヤシダ/カリフォルニア工科大学

コラボレーションの一環として、ズーリック氏は実験者アディカリ氏と協力し、ベンチトップ機器を使用した新しい実験を設計します。 「時空の量子もつれからの重力（GQuEST）」と呼ばれるこの実験では、個々の時空ピクセル自体ではなく、観測可能な特徴を生み出すピクセル間のつながりを検出できるようになります。アディカリ氏は、この捜索を昔ながらのテレビのチューニングに例える。

「私が子どもの頃、NBC が受信できないときは、チャンネルを合わせようとしました。しかし、ほとんどの場合、ピクセルの雪片しか見えませんでした。その雪片の一部は宇宙マイクロ波背景放射、つまり宇宙の誕生から来ていることはわかっていますが、チャンネルを合わせると、太陽嵐やその他の信号からの雪片を見ることができます。それが私たちがやろうとしていることです。つまり、それらの雪片、つまり時空の変動に注意深く耳を傾けることです。雪片の変動が量子重力のモデルと一致するかどうかを確認します。間違っているかもしれませんが、試してみる必要があります。」

宇宙の新たな青写真

量子重力の謎を解くことは、研究者が統一したいと望んでいる2つの理論と同等に、物理学における最大の成果の一つとなるだろう。アインシュタインの一般相対性理論は、空間と時間が物質に応じて曲がる連続体、つまり時空として考えられるということを示し、宇宙に対する私たちの見方を一変させました。一般相対性理論によれば、重力は時空の曲率に他なりません。

2 番目の理論である量子力学は、重力の他に宇宙に存在する 3 つの既知の力、すなわち電磁力、弱い核力、強い核力を説明します。量子力学の特徴は、これらの力が離散的な波束または粒子に量子化できることです。たとえば、電磁力の量子化により、光を構成する光子と呼ばれる粒子が生成されます。光子は、微視的スケールで舞台裏で働き、電磁力を伝達します。電磁場は、私たちが慣れている大きなスケールでは連続しているように見えますが、拡大すると光子によって「凹凸」が生じます。すると、量子重力の中心的な疑問は次のようになる。時空も最小スケールでは粒子の泡立った海になるのか、それとも湖のように滑らかなままなのか？物理学者は一般的に、最小のスケールでは重力も凹凸があるはずだと考えています。これらの隆起は、重力子と呼ばれる仮想の粒子です。しかし、物理学者が数学的なツールを使って、極めて小さなスケールで重力子から重力がどのように発生するかを説明すると、このシステムは崩壊します。

「数学的に不可能となり、予想された有限数ではなく、無限大のようなばかげた答えが出た。それは何かが間違っていることを意味した」と、フレッド・カブリ理論物理学・数学教授で、ウォルター・バーク理論物理学研究所所長の大栗博司氏は語った。 「一般相対性理論と量子力学を統一するための一貫した理論的枠組みを持つことがいかに難しいか、人々はよく理解していませんでした。不可能に思えましたが、私たちには弦理論がありました。」

大栗 博史 |画像提供: ブランドン・フック/カリフォルニア工科大学

ボトムストリング

多くの物理学者は、弦理論がこれまでで最も完全で、量子重力の理論であることに同意するだろう。これは 10 次元の宇宙を表しており、そのうち 6 つの次元が丸まっており、残りの 4 つの次元が空間と時間を構成しています。その名前が示すように、この理論は、最も基本的なレベルでは、宇宙のすべての物質は小さなひもで構成されていると仮定しています。バイオリンと同様に、弦はさまざまな周波数、つまり音で共鳴し、それぞれの音は電子や光子などの固有の粒子に対応します。音符の 1 つは重力子に対応します。

理論物理学のハロルド・ブラウン名誉教授であるジョン・シュワルツは、量子の世界と重力の間のギャップを埋める弦理論の力を最初に認識した人物の一人でした。 1970年代、彼と同僚のジョエル・シェルクは弦理論の数学的手法を用いて強い力を説明しました。しかし、彼らは方向を変えれば理論上の不利が有利に変わる可能性があることに気づきました。

「強い力の理論構築にこだわるのではなく、この素晴らしい理論を採用し、何が良いのかを自問した」とシュワルツ氏は2018年のインタビューで語った。 「結局、重力に非常に良いことがわかりました。私たちはどちらも重力について研究していませんでした。特に興味があったわけではありませんでしたが、この理論は強い力の説明としては不十分で、重力につながることがわかりました。そのことに気づいたとき、私は残りのキャリアで何をするかがわかりました。」

重力は他の力に比べて奇妙なものであることが判明しました。 「重力は私たちが知る限り最も弱い力です」と小栗氏は説明する。 「ローリッセンビルの4階に立っているとき、重力が私を床に引っ張らないのは、コンクリートの内部に電子と原子核があり、私を支えているからです。つまり、電界が重力に打ち勝っているのです。」

しかし、距離が短くなるにつれて強い力が弱まる一方で、重力はますます強くなります。 「弦楽器は、この高エネルギーの行動を和らげるのに役立ちます」と小栗氏は語った。 「エネルギーは弦の中に分散されます。」

量子重力の卓上テスト

弦理論の課題は、それを私たちの日常の低エネルギーの世界と一致させることだけでなく、それをテストすることでもあります。極めて小さな空間と時間のスケール（現時点では粒状であると理論化されている）で何が起こるかを観察するには、10〜35メートル程度のいわゆるプランク長までの距離まで実験を行う必要がある。このような極端なスケールに到達するには、科学者は同様に極端な検出器を構築する必要があります。 「一つのアプローチとしては、太陽系ほどの大きさのものを構築し、量子重力の兆候を探すことだ」とアディカリ氏は語った。 「でも、それは法外な費用がかかるし、何百年もかかるでしょう！」その代わりに、研究者は量子重力のさまざまな側面を研究するために、はるかに小規模な実験を利用できるとズーリック氏は述べた。 「私たちが提案する低エネルギー実験では、弦理論の仕組み全体は必要ありません」と彼女は語った。 「弦理論に関連する理論的発展は、量子重力において当てはまると期待されるいくつかのツールと定量的な理解を私たちに与えてくれます。」

ズーリック、アディカリ、およびその同僚らが提案した実験的アプローチは、10〜18メートルなどのより扱いやすいスケールで観測できる量子重力の影響に焦点を当てています。それはまだ非常に小さいですが、非常に精密な実験器具を使用すれば実現できる可能性があります。

「時空のピクセルは非常に小さいので、砂粒の大きさに拡大すると、原子は銀河と同じくらいの大きさになります。」

—ラナ・アディカリ

これらの卓上実験はミニ LIGO のようなものです。つまり、2 本のレーザー光線を垂直方向に発射する L 字型の干渉計です。 2 つのレーザー光線は鏡で反射し、開始点で合流します。 LIGO の場合、重力波は空間を伸縮させ、レーザーの衝突のタイミングに影響を与えます。量子重力実験では、時空の量子または泡と呼ばれるものの中で突然現れたり消えたりする重力子からなる、異なるタイプの時空変動を探します (光子やその他の量子粒子も量子変動により突然現れたり消えたりします)。研究者たちは、個々の重力子を探すのではなく、これらの仮説上の粒子の複雑な集合体間の「長距離相関」から生じる観測可能な特徴を探している。ズリック氏は、こうした長距離接続は、個々の粒子が存在する多孔質の泡ではなく、時空の海に広がるより大きな波紋のようなものだと説明する。

「時空のゆらぎの存在が[レーザー]ビームを乱す可能性があると考えました」と彼女は語った。 「私たちは、時空のゆらぎが干渉計のレーザービームから光子を弾き出し、単一光子検出器を使って時空の摂動を読み取ることができるような装置を設計したかったのです。」

出現する時空

「重力はホログラムです」とカリフォルニア工科大学の理論物理学のシャーマン・フェアチャイルド博士研究員、モニカ・ジンウー・カン氏はホログラフィック原理を説明しながら語った。ホログラフィック原理は、ズーリックのモデルの重要な原理です。 1990 年代に弦理論を使って実現されたこの原理は、重力などの 3 次元現象が平らな 2 次元表面から発生する可能性があることを意味します。 「ホログラフィック原理とは、物体の体積内のすべての情報が表面にエンコードされることを意味します」とカン氏は説明した。

より具体的には、重力と時空は、2 次元表面上の粒子の絡み合いから生じます。素粒子は空間を越えて絡み合います。粒子は互いに直接接触することなく、ムクドリの群れのように単一の実体として機能します。 「弦理論にヒントを得た量子重力の現代的見解は、時空と重力はエンタングルメントのネットワークから生じると示唆している。この考え方に従えば、時空そのものは何かがどれだけエンタングルメントされているかによって定義される」とカン氏は語った。

「量子重力を私たちが住む自然界に結びつける方法を検討し始めなければ、私たちは砂漠で迷子になってしまうでしょう。」 — キャサリン・ズリック

ズーリック氏とアディカリ氏が提案した実験では、この2次元表面、つまり彼らが「量子地平線」と呼ぶものを調べて、重力子の変動を探すというアイデアだ。彼らは、重力と時空は量子地平線から出現すると説明しています。 「私たちの実験では、この表面のぼやけ具合を測定する予定です」とズーリック氏は語った。

このぼやけ具合は時空のピクセル化を表します。この実験が成功すれば、重力と空間の概念を最も根本的かつ深いレベルで再定義するのに役立つ可能性がある。

「コーヒーカップを放すとカップが落ちますが、それは重力のせいだと思います」とアディカリ氏は言う。 「しかし、温度が「実在」ではなく、分子の振動の仕方を記述するのと同じように、時空も実在しないのかもしれません。私たちは鳥の群れや魚の群れが一斉に動いているのを見ますが、それらは実際には個々の動物で構成されています。私たちは集団行動を創発的と呼びます。同様に、時空のピクセル化から生じるものに重力という名前が付けられているのは、時空の核が何であるかを私たちがまだ理解していないからです。」

この記事は

量子重力：空間のピクセル化の探求 — Caltech Magazine

オリジナルリンク:

https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。