宇宙最大の謎の秘密は、その最も小さな構成要素の振る舞いにあるのかもしれないと、セラ・クレモニーニ氏は考えています。 140億年前のビッグバンのほんの一瞬で、膨大な量の密閉された物質が爆発し、素粒子の超高温の海になりました。
また、巨大な星が崩壊するときにできるブラックホールについても考えてみてください。
また、巨大な星が崩壊してできるブラックホールについて考えてみましょう。ブラックホールは物質を非常に密に圧縮するため、その領域に入ったものは光さえも決して外に出られません。 また、どのようにしてクォークが形成され、それが結合して最初の陽子と中性子が形成されたのでしょうか。 物理学の助教授であるクレモニーニ氏は、宇宙のすべての粒子は、エネルギーの小さな振動するひもでできていると提唱する弦理論というレンズを通して、これらの疑問を探っています。
弦は一次元の物体であり、長さはあっても幅はありません。 弦は一次元の物体で、長さはあるが幅がない。弦は開いたり、閉じたループを形成したり、膜やブランに付着したり、小さなものから全宇宙を満たすものまである。 弦の振動は、ギターの弦が異なる周波数を出すように、私たちがよく知っている様々な粒子と関連づけることができる。 そのうちのひとつが、重力の担い手とされる粒子「重力子」に対応する。 弦や膜がどのように配置され、どのように相互作用するかによって、私たちが観測する素粒子の性質が生まれるのです」
「弦理論の背後にある考え方は単純です」とクレモニーニ教授は言う。 「どんな粒子でも、その奥深くを見てみると、この小さな振動しているひもを見ることができます。 これが、私たちが探し求めてきた基本単位であり、すべてを構成する基本的な実体なのです」
クレモニーニ教授は、弦理論は、宇宙の仕組みを説明する相容れない2つの理論の橋渡しとして、これまでに考案された最高の枠組みであると述べています。 アインシュタインの一般相対性理論では、重力は空間と時間の曲げであると説かれ、決定論的であり、大規模な現象を記述する。 量子力学は確率論的で、原子や素粒子の振る舞いを支配します。
「アインシュタインの一般相対性理論は美しく、十分に検証された理論で、巨大な物体が時空をどのように歪めるかを教えてくれます」とCremonini氏は述べています。 「この理論のおかげで、私たちはGPSシステムを手に入れ、惑星の軌道や銀河の周りの光の屈曲を理解することができるのです。 そして昨年、LIGO実験によって、アインシュタインが100年前に予言した重力波が初めて検出された。 これは、2つのブラックホールの衝突によって生じた時空そのものの波紋で、一般相対性理論を見事に裏付けています。
「しかし一般相対性理論は、惑星やリンゴ、飛行機といった大きな距離やスケールでのみうまく機能します。 この理論は、宇宙のあらゆる場所で重力を説明することができません。 一般相対性理論と量子力学は、それぞれの領域をうまく説明していますが、重力と量子の効果が等しく重要な状況を説明するためには、両者を統合する理論、量子重力理論が必要なのです。 弦理論は、重力の量子的性質に光を当てるための最も有望で一貫性のある枠組みです。 また、宇宙の始まり、ブラックホールの挙動と性質、時空の構造などに関する疑問にも答えることができる。 クレモニーニ教授は最近、全米科学財団から3年間の助成金を受け、時空の微細構造（3つの物理次元が時間と共に織り込まれた4次元の連続体）を研究しています。 ホログラフィーと呼ばれる技術を利用することで、ビッグバン直後の現象から、ブラックホールの構造や特性、高温超伝導体のような従来とは異なる物質の挙動に至るまで、様々な現象を解明することを期待しています。 その方程式とは、一般相対性理論、場の量子論、弦理論です。
「これらの計算の多くは、物理的な直感を必要とします」と、彼女は言います。 「中には手作業でできるものもあります。 多くの物理学者と同様に、クレモニーニ氏も現実の世界について多くの近似や仮定をしています。 これは超弦理論において特に重要なことです。 「例えば、牛を球体にするのは、本物の牛よりもはるかにモデル化しやすいからです。
「私たちはある問題を解くための数学的な道具を持っていないので、問題を単純化したり、近似したりして、私たちが取り組めるようなものにすることを余儀なくされています。 私たちは、解き方がわからない問題を、本質的な物理的特性を失うことなく、解けることがわかっている問題に関連付けなければなりません」
重力-量子辞書
弦理論における二元性は、重力が量子力学の世界とどう関係しているかに洞察を与えてくれるとクレモニーニは述べています。 重力時空のいくつかの側面は、量子の世界では別の記述を持っていると、彼女は言います。
「弦理論では、特定の次元数で生きている特定の重力の理論が、1つ少ない次元で生きている量子論では対応し完全に同等の記述を持っていることがわかります。 この次元数の違いから、3次元の物体を2次元に投影したホログラムを連想させるため、これをホログラフィーと呼んでいます」
仏独や和英の辞書のように、重力理論とそれに対応する量子論は、同じ情報量を持ちながら、異なる単語と規則で書かれていると、Cremoniniは言っています。 ホログラフィーは、重力と量子の世界をつなぐ「豊かな網」を提供し、その最も難しい側面についてまったく新しい方法で考えることを可能にする、とクレモニーニ氏は言う。
現実の非対称性を評価する
クレモニーニ氏の現在の研究の目標は、ホログラフィック技術を効果的に適用できる問題の範囲を拡大することである。 「私たちは、この技術がもっと幅広く、かなり強力であることを発見しました。 私は、これらのアイデアを、より複雑で、対称性が低く、我々の宇宙に近い、つまりより現実的な系にどれだけ拡張し、一般化できるかを問いかけています。 特に素粒子物理学における我々の進歩のほとんどは、対称性の高い系を理解することに頼ってきました。 しかし、現実には、自然界には対称性を破る多くのメカニズムがあり、プロセスは動的ではるかに複雑です」
物理学者にとって最大の挑戦となる問題は、通常、例えば電子のような構成要素が互いに強く相互作用する系に関係しているとCremonini氏は言います。 このような場合、システムが異なる温度でどのように振る舞うか、あるいはある状態から別の状態へどのように相転移するのかをモデル化することは、非常に困難である。
Cremonini氏が研究した相転移の1つは、クォーク・グルーオン・プラズマという量子システムで起こる。 量子色力学（QCD）の理論によれば、原子核を構成する陽子と中性子は、それ自体が3つの小さなクォークからなり、グルーオンという粒子によって互いに強く結合している。 このクォークとグルーオンが、十分に高いエネルギーになると物理的に分離し、高温のスープ（プラズマ）の中を自由に浮遊する現象が、初期宇宙の状態と呼応している。 クォークの結合を解く相転移はQCD脱閉じ込めとして知られ、ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突型加速器や、スイスの欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器で実験が行われている
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When energy governs behavior
クレモニーニ氏のNSFプロジェクトでは、ホログラフィック技術を使用して、まさにそのような強い相互作用のために挙動がよく理解されていない物質の量子相を研究しようとしています。 Cemonini教授は、「高温超伝導体は非常に興味深い物質ですが、なぜ超伝導になるのかについては深く理解されていません」と言う。 「その物質の構成成分の振る舞いは非常に奇妙です。 その物質の電子は非常に絡み合い、強く相互作用しているので、通常の超伝導体や従来の金属に用いるような技術では、その挙動を正確に理解することができないのです。 ホログラフィック技術は、これらの系とその珍しい特性をモデル化することを可能にする、扱いやすい計算を書く方法を与えてくれます」
多くの系の振る舞いは、砂糖でハイになった子供の振る舞いに例えることができる。 Cremonini教授によれば、系からエネルギーを取り除くと、系はゼロエネルギー状態または基底状態に緩和される。 物理学では、エネルギーを取り除いたときに系がどのように振る舞い、どのような状態にまで緩和されるかを理解することが重要です。 挙動はエネルギーの関数なのです」
「水が沸騰するときのことを考えてみてください。 泡が立ちますが、これは系が不安定な状態であり、成長し始めます。 そして、さらに泡ができ、蒸気の塊に成長する。 相転移は、不安定性が形成され、それが成長することで発生するのです。 私の研究では、さまざまな量子相と、その結果として生じる不安定性の種類を調べています」
NSFのプロジェクトでは、クレモニーニは、重力が微小な量子力学の構成要素からどのように生まれるかも調べています。 彼女は、その答えが、時空の構造、宇宙の始まりと初期進化、ブラックホールの物理に光を当てることを期待しています。
「弦理論は、特にこの20年間、一般相対性理論と量子力学の関係について多くの洞察を与えてくれました。 特にこの20年間は、一般相対性理論と量子力学の関係について多くの知見を与えてくれましたし、ブラックホールの基本的な構造について学ぶのにも役立ちました。 ブラックホールには温度があり、エントロピーが存在することが知られています。 しかし、エントロピーは無秩序さを表すだけではありません。 エントロピーは、ブラックホールがたくさんの微細なビットで構成されていることも教えてくれます。 超ひも理論の大きな成果のひとつは、あるブラックホールを構成する微小なビットを計算する方法を与え、そのエントロピーを非常に正確に再現したことです。 これは驚くべきことで、量子重力の理論には必ず必要なことです。
「もしかしたら、これらの現象をすべて記述できる別の理論があるかもしれません。 しかし、今のところ、弦理論が私たちの持っている最高の枠組みなのです」
Story by Kurt Pfitzer