重力は量子化できないと賭けた物理学者 | クアンタマガジン

ほとんどの物理学者は、現実の構造にズームインすると、量子力学の直感的ではない奇妙さが非常に小さなスケールに至るまで存続すると予想しています。 しかし、それらの設定では、量子力学は決定的に互換性のない方法で古典的重力と衝突します。

そのため、理論家たちはほぼ XNUMX 世紀にわたり、重力を量子化するか、量子力学の規則に従って重力を彫刻することによって、統一理論を作成しようと試みてきました。 彼らはまだ成功していません。

ジョナサン・オッペンハイムユニバーシティ・カレッジ・ロンドンでポスト量子の代替案を探るプログラムを運営している同氏は、重力を単に量子箱に押し込むことができないためではないかと疑っている。 おそらく、それは量子化されなければならないという私たちの仮定は間違っている、と彼は主張する。 「その見方は根深い」と彼は言う。 「しかし、何が真実なのかは誰も知りません。」

量子理論は確実性ではなく確率に基づいています。 たとえば、量子粒子を測定する場合、それがどこで見つかるかを正確に予測することはできませんが、それが特定の場所で見つかる可能性を予測することはできます。 さらに、粒子の位置について確信があればあるほど、その運動量については確信が持てなくなります。 20 世紀を通じて、物理学者はこの枠組みを使用して電磁気やその他の力を徐々に理解していきました。 

しかし、重力を量子化しようとすると、不自然な無限大に遭遇し、不器用な数学的トリックで回避する必要がありました。

 問題が発生するのは、重力が時空の上に作用するものではなく、時空自体の結果であるためです。 つまり、重力が量子化されるということは、時空も量子化されることを意味します。 しかし、それはうまくいきません。量子理論は古典的な時空の背景に対してのみ意味をなすためです。不確実な基盤の上に量子状態を追加して進化させることはできません。 

この深い概念的な矛盾に対処するために、ほとんどの理論家は、物質と時空が振動する小さなひもから現れると想像するひも理論に注目しました。 より小規模な派閥は、アインシュタインの一般相対性理論の滑らかな時空を、連動したループのネットワークに置き換えるループ量子重力を検討していました。 どちらの理論でも、私たちのよく知っている古典的な世界は、何らかの形でこれらの基本的に量子の構成要素から現れます。 

オッペンハイムはもともと弦理論の研究者であり、弦理論学者は量子力学の優位性を信じています。 しかし、彼はすぐに、現代物理学の最も悪名高い問題の XNUMX つを解決するために同僚たちが行った精緻な数学的アクロバットに不快感を感じ始めました。 ブラックホール情報パラドックス. 

2017 年、オッペンハイムは量子世界と古典世界の両方を基盤として情報パラドックスを回避する代替案の模索を開始しました。 彼は見落とされていたものを偶然見つけた 研究 量子古典について ハイブリッド理論 1990年代から彼は 延伸 および 探索 それ以来ずっと。 オッペンハイム氏は、古典世界と量子の世界がどのように相互関係するかを研究することで、量子でも古典でもない、ある種のハイブリッドであるより深い理論を発見したいと考えている。 「多くの可能性があるとき、私たちはすべての卵をいくつかのバスケットに入れることがよくあります」と彼は言いました。 

彼の主張を言うと、最近オッペンハイムは 賭けた 　 ジェフペニントン および カーロ・ロベリ — 弦理論とループ量子重力のそれぞれの分野のリーダー。 オッズ？ 5,000対1。 オッペンハイムの予感が正しく、時空が量子化されていない場合、彼はバケツいっぱいのポテトチップスとカラフルなプラスチックを獲得する立場にある バジンガボール、またはオリーブオイルのショットなど、彼の好みに応じて、各アイテムの価格が最大20ペンス（約25セント）である限り。

私たちは本が並ぶ北ロンドンのカフェで会いました。そこで彼は、量子重力の現状に対する懸念を冷静に解き明かし、これらのハイブリッド代替手段の驚くべき美しさを賞賛しました。 「それらはあらゆる種類の非常に微妙な疑問を引き起こします」と彼は言う。 「これらのシステムを理解しようとして本当に足が遠のいてしまいました。」 しかし、彼は耐えます。 

「バジンガボール5,000個欲しいです。」

インタビューはわかりやすくするために要約および編集されています。

なぜほとんどの理論家は時空が量子化されていると確信しているのでしょうか?

それは定説になっています。 自然界の他のすべてのフィールドは量子化されます。 重力には特別なことは何もなく、他の場と同じ場にすぎないため、重力を量子化する必要があるという感覚があります。

あなたにとって重力は特別なものですか?

はい。 物理学者は、他のすべての力を時空の中で発展する場という観点から定義します。 重力だけで、時空そのものの幾何学形状と曲率がわかります。 他の力は、重力のように私たちが住んでいる普遍的な背景の幾何学を説明しません。

現時点では、私たちの最良の量子力学理論は、重力が定義するこの時空の背景構造を使用しています。 そして、重力が量子化されていると本当に信じている場合、その背景構造は失われます。

重力が古典的で量子化されていない場合、どのような問題が発生しますか?

量子システムを古典システムと結合すると矛盾が生じるため、コミュニティは長い間、重力が古典的であることは論理的に不可能であると信じていました。 1950 年代、リチャード ファインマンは、この問題を明らかにする状況を想像しました。彼は、XNUMX つの異なる場所が重なっている巨大な粒子から始めました。 これらの場所は、有名な二重スリット実験のように、金属シートの XNUMX つの穴である可能性があります。 ここでも粒子は波のように振る舞います。 スリットの反対側に明暗の縞模様の干渉縞が現れ、どのスリットを通過したのか分かりません。 一般的な説明では、粒子は両方のスリットを同時に通過すると説明されることがあります。

しかし、粒子には質量があるため、測定できる重力場が生成されます。 そしてその重力場は私たちにその位置を教えてくれます。 重力場が古典的であれば、それを無限の精度で測定し、粒子の位置を推測し、どのスリットを通過したかを決定することができます。 したがって、逆説的な状況が発生します。干渉パターンは、粒子がどのスリットを通過したかを決定できないことを示していますが、古典的な重力場ではそれが可能です。

しかし、重力場が量子である場合、パラドックスは存在しません。重力場を測定する際には不確実性が忍び込み、そのため粒子の位置を決定する際にも依然として不確実性が残ります。

したがって、重力が古典的に振る舞う場合、あなたは知りすぎることになります。 それは、重ね合わせのような量子力学の大切にされてきたアイデアが崩れることを意味するのでしょうか？

そう、重力場は知りすぎているのです。 しかし、ファインマンの議論には古典的な重力が機能する可能性がある抜け穴があります。

その抜け穴とは何でしょうか？

現状では、時空を曲げる明確な重力場を生成し、粒子の位置を決定できるため、粒子がどの経路をたどったかしかわかりません。 

しかし、粒子と時空の間の相互作用がランダムである場合、または予測不可能である場合、粒子自体が重力場を完全に決定するわけではありません。 これは、重力場は多くの状態のうちの XNUMX つに存在する可能性があるため、重力場を測定しても粒子がどのスリットを通過したかが必ずしも決定するとは限らないことを意味します。 ランダム性が忍び込み、パラドックスはなくなります。

それでは、なぜもっと多くの物理学者が重力が古典的であると考えないのでしょうか?

すべてのフィールドを量子化しない理論も論理的には可能です。 しかし、古典的な重力理論が量子化される他のすべてのものと矛盾しないためには、重力は基本的にランダムでなければなりません。 多くの物理学者にとって、それは受け入れられないことだ。

どうして？

物理学者は、自然がどのように機能するかを理解するために多くの時間を費やしています。 したがって、非常に深いレベルで、本質的に予測不可能な何かが存在するという考えは、多くの人を悩ませています。

量子論における測定結果は確率的であるように見えます。 しかし、多くの物理学者は、ランダム性のように見えるのは、環境と相互作用する量子システムと測定装置にすぎないと考えることを好みます。 彼らはそれを現実の根本的な特徴とは考えていません。

代わりに何を提案していますか？

私の推測では、次の重力理論は完全に古典的でも完全に量子的でもなく、まったく別のものになるだろうということです。

物理学者は、自然に近いモデルしか考え出しません。 しかし、より近似する試みとして、私の学生と私は、量子システムと古典的な時空が相互作用する完全に一貫した理論を構築しました。 必要とされる予測可能性の崩壊を考慮して、量子理論をわずかに修正し、古典的一般相対性理論をわずかに修正するだけで済みました。

なぜこれらのハイブリッド理論に取り組み始めたのですか?

私が動機づけられたのはブラックホールの情報パラドックスでした。 ブラックホールに量子粒子を投げ込み、そのブラックホールを蒸発させると、ブラックホールが情報を保存していると信じている場合、矛盾に遭遇します。 標準的な量子理論では、ブラックホールに投げ込む物体は何​​でも、スクランブルされているが認識可能な方法で放射されて戻ってくることが要求されます。 しかし、これは一般相対性理論に違反します。一般相対性理論は、ブラック ホールの事象の地平線を横切る物体については決して知ることができないことを示しています。

しかし、ブラックホールの蒸発プロセスが不決定的であれば、パラドックスは存在しません。 予測可能性が崩壊するため、ブラックホールに何が投げ込まれたのかを知ることはできません。 一般相対性理論は安全です。

では、これらの量子と古典のハイブリッド理論のノイズにより、情報が失われる可能性があるのでしょうか?

正確に。 

しかし、情報の保存は量子力学の重要な原理です。 これを失うことは、多くの理論家にとって簡単には受け入れられません。

それは本当だ。 ここ数十年、これについて大規模な議論があり、ほとんどの人がブラックホールの蒸発は決定論的であると信じるようになりました。 私はいつもそれに戸惑っています。

重力が量子化されているか否かは、実験によって解決されるのでしょうか?

ある時点で。 私たちは、最も小さなスケールでの重力についてはまだほとんど何も知りません。 陽子のスケールはおろか、ミリメートルスケールでさえもテストされていません。 しかし、それを実現する刺激的な実験がオンラインで行われています。

一つは 現代版 XNUMXつの鉛球間の重力引力の強さを計算する「キャベンディッシュ実験」。 これらの量子と古典のハイブリッドのように、重力場にランダム性がある場合、その強さを測定しようとしても、常に同じ答えが得られるとは限りません。 重力場が揺れ動きます。 重力が基本的に古典的である理論には、ある程度の重力ノイズが存在します。

このランダム性が重力場に固有のものであり、環境からのノイズではないことはどのようにしてわかりますか?

あなたはそうしない。 重力は非常に弱い力なので、優れた実験でもすでにかなりの揺れが生じています。 したがって、これらの他のノイズ源をすべて可能な限り排除する必要があります。 興味深いのは、これらのハイブリッド理論が真実である場合、最小限の重力ノイズが存在するはずであることを生徒と私が示したことです。 これは、二重スリット実験で金原子を研究することで測定できます。 これらの実験は、重力が基本的に古典的であるかどうかにすでに限界を設けています。 許容される不確実性の量に徐々に近づいています。

逆に、重力が量子化されていることを証明する実験はあるのでしょうか?

全 提案された実験 重力場によって媒介されるもつれを探すものです。 もつれは量子現象であるため、重力の量子的性質を直接テストすることになります。 これらの実験は非常にエキサイティングですが、おそらく数十年かかるでしょう。