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弦理論に関する先月発表された論文について、「弦理論は避けられない」あるいは「物理学者たちが弦理論の妥当性を立証した」という内容の質問をいくつか受け取りました。
実は昨年この論文を読んでいたのですが、良い論文だったので取り上げませんでした。今考えると、それは不公平だったかもしれません。弦理論家たちが一度でも理にかなったことをしたのなら、私もそれについて言及すべきでしょう。
弦理論は今日、素粒子物理学と一般相対性理論を統合し、既知の物理学を一つの枠組みにまとめる統一理論の候補として知られています。
弦理論家たちの主張を信じるなら（信じるべきではありませんが）、それは唯一の候補であるとされています。これは事実ではありません。ただし、統一理論を構築しようとする試みの中で、弦理論が現在最も発展しているというのは恐らく事実でしょう。しかし、弦理論は統一理論として生まれたわけではありません。
これは歴史的なチャンネルではありませんが、新しい論文の著者たちが弦理論を支持する歴史的な議論を再検討したため、この場合、歴史は関連する文脈となります。弦理論は元々、原子核の構成要素間に働く強い核力を記述するために開発されました。
その理由は、強い核力が特異な振る舞いをするからです。距離が大きくなるほど力が強くなるのです。重力や電気力を考えると、これらは距離とともに弱くなります。では、距離とともに強くなる力はどこで見られるでしょうか？ゴムバンドです。伸ばせば伸ばすほど、ゴムは強く引き戻そうとします。
今日では、強い核力におけるゴムの類推はグルーオンのフラックスチューブであることがわかっていますが、1960年代にはそれはわかっていませんでした。その代わりに起こったのは、ガブリエレ・ベネチアーノが、当時SLACで物理学者たちが集めていた、電子を陽子に衝突させるデータを記述する方法を見つけようとしたことでした。
彼は現在ベネチアーノ振幅と呼ばれる方程式を見つけました。驚くべきことに、彼は本の中から適切な関数を探すことでそれを見つけ出したのです。いずれにせよ、物理学者たちが彼の方程式をより詳しく調べると、それが閉じた弦（つまり輪）によって媒介される相互作用を記述していることがわかりました。そしてそれはスピン2の粒子として解釈することができ、それは重力子、つまり重力の量子であることがわかりました。
そう、それは量子重力を記述しているように見えたのです！これは物理学者たちを大いに興奮させました。なぜなら、それまで彼らは重力を量子理論に変換しようとしていましたが、うまくいきませんでした。単に多くの無限大が出てきただけでした。しかし、ベネチアーノのアプローチではそれは起こりませんでした。弦理論への当初の熱狂は、これに基づいていました：量子重力理論を得る一貫した方法が存在し、それは誰も以前になし得なかったことだったのです。
実際、弦理論家たちはしばしば、ベネチアーノ振幅が無限大なしで重力相互作用を機能させる唯一の方法だと主張します。よく言われるように、「町で唯一のゲーム」なのです。しかし、これまでは弦理論がそれを機能させる一つの方法だということしかわかっていませんでした。それが唯一の方法だという証明が欠けていたのです。
新しい論文が登場するのはここです。彼らは重力子振幅が満たさなければならない数学的前提条件のリストを書き、そしてベネチアーノ振幅がそれを行う唯一の方法であることを証明しています。そこから「弦理論は避けられない」というタイトルが付けられたのです。
これは、彼らの導出が、特定の前提条件が与えられた場合、好むと好まざるとにかかわらず、重力を量子化するには弦が必要であることを示しているからです。ちなみに、このビデオにはあなたがどれだけ覚えているかをテストできるクイズが含まれています。これは良い論文です。何が論理的に可能かを教えてくれる正確な数学的議論です。しかし、文脈に置いて考えましょう：物理学は数学ではありません。
どんな数学的証明も、それを構成する仮定と同じくらいの価値しかありません。だから何を意味するのか注意深く考える必要があります。この議論に入る最も重要な前提は、量子重力理論が何であれ、それは完全でなければならない、つまり無限大を生じさせるべきではなく、物理学者たちが言うところのUV有限でなければならないということです。
しかし、最近のエピソードで説明したように、そうでなければならない理由は全くありません。最深レベルでの次の理論が何であれ、それはまだ最終理論、あるいは統一理論ではないかもしれません。それはまた不完全な理論かもしれません。証明に入る別の疑わしい仮定は、そもそも重力子が存在するということです。これは単に真実でないかもしれません。
水の波は水の量子でできているわけではなく、原子でできています。同様に、重力波は重力子でできているのではなく、何か別のものでできているかもしれません。あるいは、おそらく重力は単に量子理論ではないので、量子的なものである「振幅」を見つけようとすることに意味がないのかもしれません。したがって、この論文は弦理論を支持する議論を強化するものの、弦理論を「避けられない」ものにするというのは誇張だと私は言うでしょう。
物理学において、仮定は最初のデートのようなものだと考えてください。一緒に未来があるかもしれませんが、多くの場合、未来は恥ずかしい別れをもたらすだけです。
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