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2024-03-13 20:34:00
探検する
P興奮して申し訳ありませんが、このようなことは 40 年以上実現していませんでした。物理学者は、量子物理学と重力を組み合わせる方法という、ほぼ 1 世紀前の問題を解決するための新しいアプローチを発見しました。 この新しいアイデアはロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの量子論教授ジョナサン・オッペンハイムによるもので、彼はそれを「ポスト量子重力」と名付けた。 彼の新しい提案について私は次の記事で書きました オウムガイ 先月。
現在、オッペンハイムと彼の共同研究者らは、自分たちのアイデアは量子物理学と重力を調和させるだけでなく、暗黒物質と暗黒エネルギーも説明できると述べている。 「皆さん、何かが起こっているようです」オッペンハイム 書きました X (以前は Twitter として知られていました) で、彼の研究を共有しています。 「私たちの重力理論が、暗黒物質や暗黒エネルギーなしで宇宙の膨張と銀河の回転を説明できることを示しました。」
オッペンハイムが解決しようとした問題は、量子物理学と重力が互いにあまりうまく調和しないことです。 量子物理学は非決定論的理論と呼ばれるものです。 それにはランダムな要素があり、不確実性が組み込まれているため、できることや知ることが制限されます。 量子粒子は同時に 2 つの場所に存在できるとよく言われますが、実際に数学が示しているのは、量子粒子が特定の場所にあると言うのは意味がありません。 彼らには場所がないだけなのです。
一方、重力はアインシュタインの一般相対性理論によって説明されます。 すべてのものに時間と場所を割り当てます。 それは決定論的であり、未来は過去から続きます。そして、それが持つ唯一の不確実性は、私たち自身の知識の欠如に起因します。 量子粒子の非決定論的な動作とは連携しません。
暗黒物質に対する別の説明は、重力の法則を変える必要があるというものです。
この 2 つを統合し、量子重力理論として知られる理論を構築しようとする試みが数多く行われてきました。 最もよく知られているアプローチは、重力に量子特性を与えるもので、弦理論、ループ量子重力、漸近安全重力などがあります。 あまり選ばれない道は、重力を非量子理論（物理学者の言うところの「古典的」理論）に残すか、量子物理学について何かを変えることである。
その一例は、大きな物体が 2 つの場所にあることを決して観察できないのは重力のせいであるというロジャー ペンローズの考えです。 このアイデアや同様のアイデアは、あまりうまくいきませんでした。主な理由は、量子物理学における粒子のランダムなジャンプは私たちの観察をよく説明しているのに、重力がそれに対応できないためです。
オッペンハイムの新しいアプローチは、重力を非量子理論のままにし、それにランダムな要素を与えることで、この問題を克服します。 ポスト量子重力のこのランダム性は、他のものから来るものではありません。 それは基本的な要素、つまり出発点です。 これは、量子力学のランダム性が他のものから来るものではないのと同じです。それは基本的なものであり、出発点であり、単なる自然の特性です。
オッペンハイムがもたらした革新は、両方のタイプのランダム性の数学を 1 つのフレームワークに組み合わせる方法を見つけたことです。 このポスト量子理論では、重力は非量子のままであり、粒子は量子のままです。 ただし、粒子には重力があり、その重力が粒子に影響を与えるため、これら 2 つのセクターは相互に通信します。 オッペンハイムの理論では、これら 2 つのランダム性が適合するため、これは矛盾なく機能します。 しかしその代わりに、これは量子物理学と重力の両方を微妙に変化させます。
オッペンハイム氏とその共著者でユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの大学院生アンドレア・ルッソ氏は、未査読の最近の論文で、このランダム性によって重力の法則が変化し、暗闇と闇の両方の必要性がなくなると述べている。物質と暗黒エネルギー。
暗黒物質と暗黒エネルギーは、天体物理学者が宇宙の 2 つの仮想構成要素に与えた用語です。 どちらも直接観察されたことはありません。 天体物理学者は、重力の影響から間接的にその存在を推測しているだけです。 彼らは、銀河が予想よりも速く回転し、重力レンズが予想より強い理由などを説明するために暗黒物質を追加しました。 彼らは、宇宙がただ膨張するだけでなく、膨張がさらに速くなる理由を説明するために暗黒エネルギーを追加しました。通常の種類の物質やエネルギーではそれを実現することはできません。
暗黒物質、そしておそらくは暗黒エネルギーについての別の説明は、重力の法則を変える必要があるというものです。 遠距離では変更する必要はありませんが、銀河にはさまざまなサイズがあり、中心からの距離が異なると暗黒物質の顕著な影響が観察されるため、これはあまりうまくいきません。 むしろ、重力の法則を修正する最良の方法は、星に作用する加速度が非常に小さいときに法則を変更することであることが判明した。まさに、オッペンハイムとルッソがポスト量子重力で発見したことだ。
問題が解決しました？ まあ、そうかもしれないけど、うまくいかないと思うよ。
小さな加速度におけるアインシュタインの重力のこの修正は、修正ニュートン力学 (略して MOND) として知られています。 小さな加速度でのこの変化があたかも暗黒物質があるように見える理由は、加速度が平均して重力の強さに依存するためです。 惑星や太陽の近くにいると、それらの重い物体からの顕著な重力を経験します。 それを力と解釈すると、加速度が生じます。 重い物体から離れるほど加速度は小さくなります。
しかし、銀河の質量の大部分が中心にあるため、銀河全体から来る全体的な重力は、星が銀河の中心から遠くなるほど小さくなります。 小さな加速度で重力が強くなると仮定すると、銀河内の暗黒物質に起因する観測を説明できることがわかりました。 一言で言えば、これがMONDの考え方です。
オッペンハイム氏は現在、彼と同僚が重力のランダム性による重力の法則の変化を観察したところ、同様の挙動が見られたと述べている。つまり、物体の加速度が小さいほど、重力に固有のランダム性の影響が大きくなるということである。 彼らは、物理学者が重力を導き出す量であるニュートン重力ポテンシャルに関するニュートンの重力法則に似た方程式を導き出します。 ただし、これはまったく同じ方程式ではなく、その解には異常な寄与があります。 彼らは、これらの追加の貢献が MOND が提供するものと同様であるように見えることを示しています。つまり、銀河の回転が速くなります。 そして、参考までに、これらの寄与の1つはダークエネルギーのように見えると彼らは言います。 MOND 自体はダーク エネルギーを考慮していないため、これは非常に注目に値する成果です。
ただし、この最新の研究では銀河のみを研究しているため、最も単純な種類の暗黒エネルギー (宇宙定数) として彼らが特定した量が実際に宇宙の膨張を引き起こすことは実証されていないことに注意したい。 これについては、別の「準備中の原稿」を参照しているとのことなので、これについては今後さらに詳しく聞けると思います。 しかし、私自身の経験から言えば、ダークエネルギーを正しく引き出すことはそれほど難しいことではありません。 (私も暗黒物質と暗黒エネルギーの両方を説明する理論を持っていますが、誰もそれを気にしていないだけです。)
問題が解決しました？ まあ、もしかしたら、でも――もしよければ、不機嫌な老婆と呼んでください――それはうまくいかないと思います。
その理由は、得られる方程式が単純すぎるためです。 一度に 1 つの銀河に対しては機能すると思いますが、一度に多数の銀河に対しては機能しないでしょう。 これは、天体物理学者が、多くの銀河からのデータを組み合わせると、回転速度や明るさなどのいくつかの観測可能な特性が相互に相関していることを観察しているためです。 MOND はこれらの相関関係を説明しています。 暗黒物質はそうではありません。 私にとって、これが暗黒物質に対する MOND の大きな魅力です。 しかし、ポスト量子重力から導かれるように見える方程式は、これらの関係を説明する適切な性質を持っていません。 つまり、方程式をさらに調査すると、期待どおりに機能しないことがわかるのではないかと思います。
もちろん私が間違っている可能性もあります。 したがって、私にとって、これは双方にとって有利な状況です。 私が正しいか間違っているかのどちらかですが、私たちは多くの人が夢見てきたものを実現する理論の誕生を目の当たりにしています。 
リード画像: Marcel Drechsler / Shutterstock
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#暗黒宇宙の終わり