時空の「ブラウン運動」は暗黒物質の死を引き起こす可能性がある

天文学者が遠方の銀河の回転を研究すると、すぐにパズルにぶつかります。 星は重力によって一緒に保持されており、銀河が回転するときに星が銀河間空間に投げ飛ばされるのを防ぎます。 実際、天文学者は見える星の質量に基づいて重力の量を計算できます。

謎は、これらの銀河の最も外側の部分の動きが速すぎるということです。 この質量は、これらの星が飛び去るのを止めるのに十分ではないようです。

これが起こらないという事実は、現代宇宙論の大きな謎の 1 つです。 何らかの力が銀河を結びつけているに違いありませんが、天文学者たちはそれがどこから来るのか知りません。

彼らの最も有力な推測は、銀河は目に見えない物質で満たされており、それが目に見える物質に重力を及ぼしているに違いないということです。 そして、このいわゆる暗黒物質の探索は、現代科学の偉大な取り組みの 1 つです。 しかし、何十億ドルもの費用をかけた長年の研究と実験にもかかわらず、暗黒物質を直接観測した人は誰もいません。

コズミックパズル

しかし、別の説明もあります。 1980 年代に遡ると、モルデハイ ミルグロムという物理学者は、銀河規模で見ると、ニュートンの運動法則は地球上で観察されるものとは微妙に異なる可能性があると示唆しました。 そして、これらの修正ニュートン力学 (MOND) は、暗黒物質の代わりに銀河を保持するための追加の重力の力を提供できる可能性があると考えられています。

しかし、暗黒物質と同様に、この考えを裏付ける証拠はほとんど見つかっていません。 MOND が冥王星や実際にはパイオニア宇宙船やボイジャー宇宙船のような遠方の天体の軌道にどのような影響を与えるかについてさまざまな研究が行われてきましたが、有望な結果は得られませんでした。 そして、多くの天文学者は、これが本質的にニュートン力学に対する恣意的な変更であるため、このアイデアを嫌います。

このため、修正ニュートン力学対暗黒物質に関する論争が盛衰するにつれて、天文学者は暗黒物質の考えを支持する傾向がありました。

しかし、結局ミルグロム氏のMONDの考えがなぜ真実なのかを解明したユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのジョナサン・オッペンハイム氏とアンドレア・ルッソ氏の研究のおかげで、この状況は変わるかもしれない。 これにより、MOND に天文学者や物理学者にとっての魅力を高める理論的基盤が与えられます。

この新しい研究は、現代物理学の 2 つの偉大な基礎である量子力学と一般相対性理論の間の矛盾を調整するためにオッペンハイムが数年前に提案したアイデアに基づいています。

量子力学は最小スケールで宇宙の挙動を支配しますが、相対性理論は最大スケールで機能します。 しかし、これらの理論の性格はまったく逆であり、量子力学は宇宙が本質的に確率的であることを示唆しているのに対し、相対性理論は宇宙が完全に古典的であることを示唆しています。

これは、物理学者がまだ解決していない量子重力理論を導き出す際にジレンマを引き起こします。

オッペンハイムの考えは、相対性理論は古典的だが基本的には確率論的であるというもので、相対性理論はむしろブラウン運動、つまり流体中に浮遊する粒子のランダムな運動に似たランダムな性質を持つことを意味している。 これにより、量子力学と相対性理論を数学的に互換性のある方法で組み合わせることができます。

新しいアプローチの結果の 1 つは、物理学者が観察しているように、人間のスケールでは重力が完全にニュートン関数であるということです。 しかし、もう一つは、銀河規模では、あたかも時空が内部の質量に対してある種のブラウン運動を引き起こしているかのように、重力による加速度が小さいながらもランダムに変化する可能性があるということです。 銀河を結びつける余分な重力を生み出すのは、時空のこの確率的性質です。

「私たちは、この確率的挙動が低加速度における一般相対性理論の修正につながることを示しました」と彼らは言う。 「低加速度領域では、重力場によって生じる加速度の変動がエントロピー力として作用し、アインシュタインの一般相対性理論からの逸脱を引き起こします。」

メイ・ザ・フォース

言い換えれば、エントロピー力は、あたかも追加の物質であるかのように作用します。 「確率的宇宙定数によって駆動されるエントロピー力は、暗黒物質を呼び起こすことなく銀河の回転曲線を説明できる」と彼らは結論付けている。

ミルグロムの考えとの類似性はオッペンハイムとルッソにも失われていない。 実際、彼らは自分たちのアイデアがミルグロムの予測と同様の予測を生み出すことを示しています。 そして、新しい理論はニュートン力学への恣意的な修正ではなく、相対性理論と量子力学を単一の枠組みに組み合わせた必然的な結果です。

これは、ニュートン力学の性質をテストする将来の実験に大きな可能性を秘めた興味深い研究です。

しかし、オッペンハイム氏とルッソ氏は注意を促す。 彼らは、銀河の回転以外にも暗黒物質の存在を示唆する理由があると指摘している。 たとえば、遠方の銀河の重力質量は、光が通過するときに光を曲げることによってレンズのように機能します。 そして、この曲がりの大きさは、暗黒物質がこの質量に寄与しているに違いないことを示唆しています。

オッペンハイム氏とルッソ氏は、自分たちのアイデアが注目を集める前に、特に時空のブラウン運動とその質量への影響をシミュレートすることによって、さらに研究する必要があると述べている。

これにより、天文学者にとっては幸せな時間が過ごせることになるでしょう。 ここ地球上で暗黒物質の証拠を探すために数十億ドルを費やしてきた実験者にとって、それはあまり喜ばしいことではないかもしれない。

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参考: 確率的時空による銀河回転曲線への異常な寄与: arxiv.org/abs/2402.19459