重力は人類が最初に認識した基本的な力ですが、今でも最も理解されていない力です。 物理学者は、ボーリングの玉、星、惑星に対する重力の影響を絶妙な精度で予測することができますが、この力が微小な粒子、つまり量子とどのように相互作用するのかは誰も知りません。 100年近くにわたる量子重力理論の探求は、宇宙で最も小さい粒子に対する力の働きを説明するものであり、銀河、クォーク、その間にあるすべてのものを支配するのは、ひとつの重力法則であるという単純な期待によって推進されています。
「もし理論がなければ、宇宙はただのカオスです。 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、「それは単なるランダムです」と述べています。 「1244>
一般相対性理論の縁
理論物理学における最も厄介な問題の中心には、この分野の 2 つの偉大な勝利の間の衝突があります。 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がその周囲の空間と時間を曲げ、近くの物体はその曲がった経路に従って、あたかも互いに引き合うように作用するという記述に置き換えたものです。 アインシュタインの方程式では、重力は空間の形そのものである。 アインシュタインの理論は、滑らかで古典的な宇宙の伝統的な記述、つまり、いつでもより小さな空間のパッチにズームインすることができるような記述を維持した。
一般相対性理論は、アインシュタインが想像もしなかったような状況を含め、宇宙物理学者が投げかけるすべてのテストに合格し続けています。 しかし、ほとんどの専門家は、アインシュタインの理論がいつか破綻すると予想しています。なぜなら、宇宙は最終的に滑らかではなく、でこぼこしているように見えるからです。 惑星や星は原子の集合体であり、その原子は電子やクォークの束でできている。 これらの粒子は、他の種類の粒子と入れ替わることでくっついたり離れたりし、引力や斥力を生み出しています。
例えば、電気力と磁力は、物体が仮想光子と呼ばれる粒子を交換することによって生じます。 たとえば、冷蔵庫に磁石をくっつける力は、滑らかな古典的磁場として記述することができますが、磁場の細かい部分は、それを作り出す量子粒子に依存するのです。 宇宙の4つの力（重力、電磁気力、強い核力、弱い核力）のうち、重力だけが「量子」的な記述を欠いているのである。 そのため、重力場がどこから来るのか、重力場の中で個々の粒子がどのように作用しているのか、確実なことは誰も知らない（いろいろな考えはあるが）。
The odd force out
問題は、重力が私たちを地上にとどまらせ、一般に力として作用するにもかかわらず、一般相対性理論では、それが空間の形状そのものであることを示唆している点です。 他の量子論では、空間は平らな背景として扱われ、粒子がどれだけ遠くに、どれだけ速く飛ぶかを測定します。 重力は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を拡大すると空間は平坦に見えるのだ。 惑星や恒星など、より拡大されたレベルでは、重力と空間の湾曲の影響は比較的明らかです。 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、それがわずかであっても、計算が不可能になってしまうのです。
1940年代後半に物理学者は、量子力学の気まぐれに対処するために繰り込みと呼ばれる手法を開発しました。 例えば、電子は光子を放出することができる。 その光子は、電子とその反物質の双子の陽電子に分裂することができる。 そして、その対がさらに光子を放出し、その光子がさらに双子に分裂する、という具合に。 完璧な計算をしようとすれば、電子の無限の旅を数え上げなければならないが、繰り込み計算によって物理学者は、手に負えないほどの可能性を、電子の電荷や質量といった、測定可能ないくつかの数値に集約することができた。 これらの値を予測することはできませんが、実験から得られた結果をプラグインして、電子がどこへ行くのかなど、他の予測に使用することができます。
重力子と呼ばれる理論上の重力粒子が登場すると、繰り込み計算は機能しなくなってしまいます。 重力子はそれ自身のエネルギーも持っており、それが空間のゆがみを生み、さらに重力子が生まれ、さらにゆがみが生まれ、さらに重力子が生まれ、といった具合に、一般に巨大な数学的混乱に陥ってしまうのです。 物理学者が実験的に測定するために無限大の一部を積み上げようとしても、結局は無限大の積み重ねに溺れてしまうのです。
「何かを決定するためには、事実上、無限の実験が必要だということです」と Engelhardt 氏は述べ、「それは現実的な理論ではありません」と述べました。 物理学者はその両方はあり得ないと言っています。 (Image credit: )
実際には、粒子の周囲の曲率を扱えないことは、電子やその仲間でさえ気づかずにはいられないほど、大量の質量とエネルギーが空間を強くねじ曲げる状況、たとえばブラックホールでは致命的なものとなります。 しかし、時空の穴のすぐ近く、あるいはもっと悪いことに穴の中にいる粒子は、物理学者が知らなくても、確実に交戦規則を知っているのです。
「自然はブラックホールを存在させる方法を見つけた」と、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、Robbert Dijkgraaf氏は、同研究所の出版物に書いています。 “今、自然が知っていて、私たちがまだ知らないことを見つけるのは、私たち次第です。”
Bringing gravity into the fold
Using a approximation of general relativity (Engelhardt called it a “Band-Aid”), physicists have developed a notion of what gravitons might look like, but no one expects to see any time soon.物理学者たちは、重力子がどのようなものであるかについての概念を構築しています。 ある思考実験によれば、重力子を検出するには、木星ほどの重さの粒子衝突型加速器で100年かかるという。 そのため、その間、理論家たちは宇宙の最も基本的な元素の性質について再考している。
ループ量子重力として知られるある理論は、空間と時間を少しずつ分割することによって、粒子と時空の間の対立を解決することを目的としています-その究極の解決は、それ以上ズームすることができないことです。
もうひとつの一般的な枠組みである弦理論は、異なるアプローチをとっており、粒子を繊維状の弦に置き換えて、点のようなものよりも数学的挙動がよくなるようにしています。 この単純な変更は複雑な結果をもたらしますが、1つの良い特徴は、重力が数学から抜け落ちてしまうことです。 アインシュタインとその同時代の人たちが一般相対性理論を開発しなかったとしても、物理学者は超ひも理論によって後から一般相対性理論に行き着いただろう、とエンゲルハルトは言う。 「1244>
そして弦理論家は、ここ数十年の間に、自分たちが生産的な軌道に乗っていることを示すさらなるヒントを発見したと、Engelhardt 氏は述べています。 簡単に言えば、空間そのものの考え方が、宇宙のより基本的な構造から物理学者の目を逸らせているのかもしれません。
理論家たちは、1990年代後半に、重力を含む単純な箱型の宇宙の記述が、量子物理学のみによる（そして重力もない）平らな宇宙の絵と数学的に等価であることを発見しました。
空間に埋め込まれた私たち人間には想像しにくいことかもしれませんが、空間と粒子の関係は、室温と空気分子の関係のようなものなのかもしれません。 物理学者はかつて、熱を暖かい部屋から涼しい部屋へと流れる流体と考えていたが、分子の発見により、我々が温度として感じるものは、空気分子の平均速度から「出現」することが明らかになったのである。 空間（重力も同様）も同様に、小さな現象から大きな現象へと変化しているのかもしれない。 「1244>
しかし、超ひも理論の箱の中の宇宙は、私たちが見ている宇宙とは異なる形をしています（ただし、量子重力はすべての可能な宇宙の形に対して同じように作用するので、この違いは破滅にはならないかもしれないと Engelhardt は述べています）。 箱庭宇宙の教訓が現実に適用されるとしても、数学的な枠組みはまだ粗いままだ。 物理学者が宇宙との理論的なつながりを断ち切り、量子重力のでこぼこした栄光を正確に記述できるようになるには、まだまだ長い道のりが必要なのです。
彼らがそれぞれの理論の実質的な数学的ねじれを解決し続ける一方で、一部の物理学者は、天体物理学的観測がいつの日か正しい方向に導いてくれるかもしれないという希望を抱いています。 現在までのところ、一般相対性理論の予測から外れた実験はありませんが、将来的には、多くの波の大きさに感度を持つ多様な重力波検出器が、グラビトンの微妙な囁きをキャッチする可能性があるのです。 しかし、エンゲルハルトは、「私の本能は、粒子衝突型加速器を見るよりも、宇宙を見ることだろう」と述べている
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