新しい理論はアインシュタインの重力と量子力学を組み合わせた

アインシュタインの古典的な時空間概念を維持しながら重力と量子力学を一貫して統合する根本的な理論は、UCL（University College London）物理学者が同時に発表した2つの論文で今日発表されました。

現代物理学は、宇宙で最小の粒子を支配する量子論と時空間の反りを介して重力を説明するアインシュタインの一般相対性理論という2つの柱に基づいています。 しかし、これら2つの理論は互いに矛盾しており、和解は100年を超えるような困難なままです。

現状維持への挑戦：新しい理論的アプローチ

アインシュタインの重力理論が量子理論に適合するためには、修正または「量子化」しなければならないという仮定が広まっていました。 これは、量子重力理論、ひも理論および環量子重力に対する２つの主要な候補のアプローチである。

しかし、Jonathan Oppenheim教授（UCL物理学と天文学）が開発し、 物理レビューX（PRX）、 合意に挑戦し、時空間が古典的であること、すなわち量子理論の支配を全く受けないことを提案することによって、代替的なアプローチをとる。

画像は、重い粒子（月印）が干渉パターン（量子効果）を引き起こし、時空間を曲げる実験を示しています。 吊り振り子は時空間測定を表す。 実際の実験は、一般的に知られている最大の分子の1つである炭素-60を使用して行われます。 UCL計算によると、金のような密度の高い原子を使用して実験を行う必要があることを示しています。 他の2つの画像はUCLグループによって提案された2つの実験を示しており、どちらも時空間を古典的に扱う理論を制限しています。 1つは質量を測定すること、もう1つは干渉実験です。 クレジット：アイザックヤング

時空間を修正する代わりに、「古典重力に対するポスト量子理論」と呼ばれるこの理論は、量子理論を修正し、時空間自体によって媒介される予測可能性の本質的な崩壊を予測します。 これにより、量子理論で予想されるものよりも時空間でランダムで暴力的な変動が発生し、十分に正確に測定すると、物体の見かけ重量を予測できなくなります。

実験的テストと理論的意味

第二の論文が同時に出版された。 ネイチャーコミュニケーションズ そして、Openheim教授の元博士課程の学生が率いるこの理論の結果のいくつかを見て、それをテストするための実験を提案します。 質量を非常に正確に測定し、時間の経過とともに重量が変動するように見えるかどうかを確認します。

たとえば、フランスの国際メーターは、以前は1kg標準であった1kgの質量を日常的に測定します。 この1kg質量測定の変動が数学的一貫性に必要なものより小さい場合、理論は排除することができます。

質量の重量測定 – 時空間を古典的に扱うすべての理論を制限するUCLグループによって提案された実験。 クレジット：アイザックヤング

実験の結果や時空間の量子対古典的性格を確認する他の証拠は、オッペンハイム教授とカルロ・ロベリー教授、そして量子環重力の主な支持者であるジェフ・ペニントン博士の間の5000:1確率賭けのテーマです。 ひも理論とそれぞれ。

UCL研究グループの5年間の研究

過去5年間、UCL研究グループは理論をストレステストし、その結果を調査してきました。

オッフェンハイム教授は、「量子論とアインシュタインの一般的な相対性理論は数学的に互いに両立できないため、この矛盾がどのように解決されるかを理解することが重要です。 時空間を量子化しなければならないのか、それとも量子理論を修正しなければならないのか、それとも全く違うのでしょうか？ 今、私たちは時空間が量子化されないという一貫した基本理論を持つようになったので、誰も推測できません。

UCLの博士課程の学生として実験提案の開発を支援し、理論自体に重要な貢献をした共同著者Zach Weller-Daviesは、次のように述べています。 潜在的な量子本性。

「私たちは、時空間が量子的特性を持っていない場合、実験的に検証できる特定の特徴を持つ時空間曲率にランダムな変動がなければならないことを示しました。

「量子重力と古典重力の両方で、時空間は私たちの周りで激しくランダムな変動を受けているに違いありませんが、その規模はまだ検出できません。 しかし、時空間が古典的である場合、変動は特定の規模より大きくなければならず、この規模は重い物体をどれだけ長く置くことができるかをテストする別の実験によって決定することができます。 原子 2つの異なる場所にあるネスト*にあります。

共著者の貢献と洞察

共著者であるCarlo Sparaciari博士とBarbara Šoda博士は、分析と数値計算がプロジェクトを導くのを助け、これらの実験が量子重力理論の追求が正しいアプローチであるかどうかを決定できることを願っていました。

Šoda博士（元UCL物理学と天文学、現在カナダのPerimeter Institute of Theoretical Physics所属）は次のように述べています。 「重力は空間と時間の屈曲を通して現れるので、私たちは次の質問を考えることができます。 時間の流れは量子的性質、すなわち古典的な性格を持っています。

「そしてこれをテストするのは、質量の重量が一定であるのか、それとも特定の方法で変動するように見えるのかをテストするのと同じくらい簡単です」

Sparaciari博士（UCL物理学と天文学）は次のように述べています。 「実験の概念は簡単ですが、物体の重量測定は非常に正確に行わなければなりません。

しかし、私が興味深く考えているのは、非常に一般的な家庭から始まり、測定可能な2つの量、すなわち時空間変動の大きさ、原子やリンゴなどのオブジェクトが、2つの異なる位置の量子重なりにどれだけ長く置かれるかとの明確な関係です.証明することができるということです。

Weller-Daviesは次のように付け加えました。 「原子のような量子粒子が古典的な時空間を曲げることができるならば、繊細な相互作用が存在しなければなりません。 原子の波動特性と時空間におけるランダム変動がどれだけ大きくなければならないかとの間には根本的なバランスがなければなりません。

より広い意味と今後の実験

質量のランダムな変動を見つけ、時空間が古典的であるかどうかをテストする提案は、「重力媒介絡み合い」であることを見つけ、時空間の量子特性を識別することを目的とした別の実験提案を補完します。

本日発表には参加していないが、もつれ実験を初めて提案した人の一人であるソガト・ボス（UCL物理学・天文学）教授は「時空間の本質をテストする実験には大規模な努力が必要だが、自然の基本法則を理解する観点から非常に重要です。 私はこれらの実験が実現可能であると信じています。 予測するのは難しいですが、おそらく今後20年以内に答えを知るでしょう。」

ポスト量子理論は重力以上の意味を持っています。 悪名高く問題のある量子理論の「測定仮定」は必要ありません。 なぜなら、量子重複は必然的に古典時空間との相互作用によって局所化されるからである。

この理論は、以下の問題を解決しようとするオッペンハイム教授の試みによって動機付けられた。 ブラックホール 情報の問題。 標準的な量子理論によれば、ブラックホールに入るオブジェクトは情報を破壊することができないため、何らかの方法で再放出されるべきですが、これはブラックホールのイベント地平線を横切るオブジェクトについては決してわからないという一般的な相対性理論に反しています。 新しい理論は、予測可能性の根本的な崩壊によって情報が破壊されることを可能にする。

背景情報

量子力学

宇宙のすべての物質は量子理論の法則に従いますが、実際には原子と分子規模の量子挙動だけを観察します。 量子理論は、粒子がハイゼンベルクの不確定性原理に従い、私たちは粒子の位置や速度を同時に知ることができないと言います。 実際、私たちが測定するまでは、明確な位置や速度さえ持っていません。 前者のような粒子は波のように振る舞うことができ、同時に複数の場所にいるかもしれないかのように振る舞います（より正確には、物理​​学者は粒子を異なる場所の「ネスト」にあると説明します）。

量子理論は、次のすべてを支配します。 半導体 コンピュータチップ、レーザー、超伝導性、放射性崩壊まで、どこにでも存在します。 対照的に、我々は、システムが明確な基本的な属性を持っている場合、古典的に動作すると言います。 猫は古典的に行動しているようです。 つまり、死んだり、生きていたり、どちらかではなく、死んだり、生きている状態が入れ子になっているのです。 猫はなぜ古典的に行動し、小さな粒子は量子的に行動するのですか？ 私たちは知りませんが、ポスト量子理論は測定仮定を必要としません。 なぜなら、時空間の古典性は量子システムを感染させて局在化させるからである。

重力

ニュートンの重力理論は、重力が一般的な意味の力ではないというアインシュタインの一般相対性理論（GR）に位置づけました。 代わりに、太陽のような重い物体は、地球がその周りを回転するように時空間構造を曲げます。 時空間は3次元の空間と4次元の時間で構成される数学的対象にすぎない。 一般相対性理論はブラックホールの形成とビッグバンを予測した。 時間は、空間の異なる点で異なる速度で流れると主張する。 GPS スマートフォンでは、位置を正しく把握するためにこれを考慮する必要があります。

歴史的文脈

OppenheimがPRXで提示したフレームワークとSparaciari、Soda、Weller-Daviesとの関連論文では、量子システムが古典システムと相互作用する最も一般的で一貫した形式の力学を導きます。 次に、このフレームワークを量子場理論と組み合わせた一般相対性理論の場合に適用します。 これは初期の研究と物理学者のコミュニティに基づいています。 重力媒介絡み合いによる重力の量子特性を試験する実験は、Bose et. アル。 そしてC. MarlettoとV. Vadralによって書かれました。 一貫した古典的な量子力学の2つの例は、90年代にBlanchard博士とA. Jadzyk、Lajos Diosiによって発見され、2017年頃David Poulinによって再発見されました。 別の観点から見ると、2014年に両者と組み合わせたニュートン重力モデルがあります。 「測定とフィードバック」アプローチによるシステムは、2016年にDiosiとAntoinne Tilloy、2014年にD Kafri、J. Taylor、およびG. Milburnによって提示されました。 重力が崩壊とある程度関連している可能性があるというアイデア波動関数の概念は、F. Karolyhazy（1966）、L. Diosi（1987）、およびR. Penrose（1996）にさかのぼります。 M. HallとM. Reginatto、DiosiとTilloy、David Poulinを含む他の人々は、古典的量子結合が波動関数の位置を説明できると提案しました。 時空間が古典的かもしれないという考えは、I. Sato（1950）とC. Moller（1962）にさかのぼります。 しかし、これまで一貫した理論は見つからなかった。

参考資料：

「古典重力に対する後者の理論」（Jonathan Oppenheim）、2023年12月4日、 物理レビューX。
リンク

2023年12月4日 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI: 10.1038/s41467-023-43348-2