この動画は、時空が実在しない可能性を示唆する最新の物理学研究について解説している。ペタワット級レーザーパルスによる粒子生成実験から始まり、時空の限界を探る3つの思考実験、ホログラフィック原理、そして時空が基本的なものではなく何かより深いレベルから生まれる現象である可能性について論じている。
革命的な物理学実験の突破
新たな突破口が高エネルギー物理学の基盤を揺るがしました。科学者たちは今、100万基の原子力発電所がフル稼働で発する力に匹敵する、驚異的な1ペタワットの出力を持つパルスの生成に成功しました。このパルスは1000兆分の1秒という短時間に圧縮され、その瞬間に100キロアンペアの電流が詰め込まれています。
これは単なる実験室のトリックではありません。これはメガアンペア・ビームへの一歩なのです。そしてもしそこに到達できれば、次の章はまるでSFのように聞こえるでしょう。空っぽの空間から粒子を引き出すこと。そう、文字通り無から物質を引き出すのです。
これは魔法ではありません。量子電磁力学では、シュヴィンガー効果として知られています。十分に強力な場が真空から粒子と反粒子のペアを生み出すことができる現象で、場のエネルギーが質量になります。物質は無から生まれるのではなく、量子場の激しい波紋から生まれるのです。そして初めて、私たちは実験室でこれを目撃する寸前まで迫っているのです。
これは単なる新技術ではありません。量子場理論の基盤そのものをテストする機会なのです。そして初期宇宙を形作った力や、今日ブラックホール付近で波紋を起こしている力を垣間見ることができるかもしれません。
時空への根本的疑問
なぜなら、これらの極限実験は単にデータを与えるだけでなく、現実そのものに疑問を投げかけるからです。現在、私たちは時空を万物の舞台として扱っています。現実が描かれる紙のようなものとして。
しかし、もしそれが真実でなかったらどうでしょうか？もし空間と時間が基盤ではなく、より深いものの副作用に過ぎないとしたら？物理学者ニマ・アルカニ＝ハメッドは、私たちの日常的な空間と時間の概念がどれほど堅固なものかをテストするため、3つの過酷な思考実験を提案しました。
もしあなたが時空を理解していると思うなら、心の準備をしてください。なぜなら私たちはそれを壊れるまで押し続けようとしているからです。
第一実験：現実の探究限界
現実をズームインするとどうなるでしょうか？物理学者たちは大型ハドロン衝突型加速器のような粒子加速器を使ってまさにそれを行っています。粒子を光速近くまで加速して衝突させ、現実を引き裂き、内部に隠されているものを見ようとするのです。
エネルギーが高いほど、波長は短くなります。つまり解像度が向上します。陽子の中心を覗きたければ、それは約10の−15乗メートルの大きさなので、さらに短い波長、さらに高いエネルギーの粒子が必要になります。簡単な話です。
しかし、あまりにも押し進めすぎると、何か異常なことが起こります。あまりにも小さな空間にあまりにも多くのエネルギーを詰め込むと、ドカン、ブラックホールができてしまいます。微視的なものですが、それでもブラックホールです。そして問題はここにあります。それは全てを飲み込んでしまうのです。何も逃れることはできません。実験からの情報さえも。検出器は役に立たなくなります。何も見ることができません。
これは限界があることを意味します。どれほど小さく探究できるかには厳しい壁があるのです。それを越えると、宇宙はあなたを締め出してしまいます。その限界はプランク長と呼ばれています。それより下では、時空は意味をなさなくなります。単に私たちがさらに見ることができないというだけでなく、おそらく見るべきものが何もないのです。
第二実験：量子の不確定性
それでもその規模で何かを測定しようとしたらどうなるでしょうか？量子の不確定性が私たちの顔に平手打ちを食らわせます。量子レベルでは、何も確実ではありません。ぼやけなしに正確な位置やエネルギーを測定することはできません。それが不確定性であり、私たちはそれと共に生きています。
しかし、ここにトリックがあります。より大きく、より密度の高い装置を使用します。粒子で満たして、その不確定性を減らすことができます。安定化します。測定を確実にします。
では、完璧な測定を望んだらどうでしょうか？ゼロの不確定性、絶対的な真実を。私たちは究極の測定装置を構築します。超大質量、超高密度の装置を作ると、再びブラックホールを得ることになります。
結果として、装置が持ち込まれたすべてを取り込むだけになるため、何も測定することはできなくなります。時空において物体の物理的性質を決定的に、妥協なく、正確に決定することは不可能であることが判明します。これは、完璧な精度、そしてこの意味での真実が可能な、さらに深いレベルの現実が存在する可能性があることを意味します。
第三実験：情報容量の限界
さて、現実概念への最終的な打撃がこれです。時空の一塊にできるだけ多くの情報を詰め込もうとしたらどうなるでしょうか？
簡単なもの、部屋から始めましょう。本で埋めてください。1冊の本は約0.5メガバイトを保持します。100立方メートルに約32ギガバイトを詰め込むことができます。悪くありません。
その本をハードドライブに交換しましょう。1テラバイトのSSDとします。数億ギガバイトを収めることができます。素晴らしい。
しかし、狂気に走りましょう。中性子星内部の物質と同じ密度の記憶媒体があると仮定しましょう。ブラックホールを除いて、既知の宇宙で最も密度の高いものです。1つの部屋に何兆もの何兆ものギガバイト。
さあ、もう1バイト追加してください。ドカン。あなたの部屋はブラックホールに崩壊します。もうデータはありません。もう部屋もありません。重力がすべてを特異点のスープに噛み砕くだけです。
そして、物理学が再びあなたの顔に唾を吐くのがここです。ブラックホールが保持できる情報量はその体積に依存すると思うでしょう、違いますか？間違いです。スティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインのおかげで、私たちは今、ブラックホールの最大情報容量はその表面積、つまり事象の地平線に依存し、内部ではないことを知っています。
これは私たちの直感にとって恐ろしいことです。体積は3乗で成長します。面積は2乗でのみです。空間の情報容量は、情報が体積を均一に満たす場合よりもはるかに少ないことが判明します。
ホログラフィック原理への道
この奇妙な仮説はホログラフィック原理のアイデアにつながります。私たちの3次元現実が、今のところ私たちには未知の性質の2次元表面に存在する情報の投影である可能性があるというアイデアです。
言い換えれば、私たちの3次元時空は、何らかのより基本的な2次元現実によって生成された錯覚に過ぎない、ホログラムに過ぎない可能性があります。
しかし、これらはすべて、私たちがペタワットレーザーパルスで既に行っているような、超極限物理状態の生成に近づけば、テストできる思考実験です。
時空の限界と根本的現実
しかし、時空さえも終わり、何か他のものが始まる場所で、私たちは何を発見できるでしょうか？
3つの思考実験で、私たちは基本的限界に近づきました。そして時空については、約10の−35乗センチメートルと約10の−43乗秒で発生することが判明しました。比較のため、通常の原子のサイズは約10の−8乗で、大型ハドロン衝突型加速器で粒子の衝突で研究される距離は10の−18乗までの値です。
これまでのところ、私たちは実験的にこれらの限界に到達することはできません。しかし、これらのスケールでは、時空の概念そのものが理論的にその意味を失います。そしてこれは単なる頭の体操ではありません。
宇宙の膨張を巻き戻すと、ある時点で、すべての物質が想像を絶する温度と密度で小さな体積に圧縮された瞬間に行き着きます。そこでも、時空の概念は破綻し始めます。つまり、物理学者たちは、その瞬間には時空は単に存在しなかったと言います。それはまだ現れていませんでした。
繰り返しますが、これは空虚があった瞬間ではありません。これは空虚が存在する場所さえなかった瞬間です。想像してみてください。
ブラックホールと宇宙の始まり
ブラックホールの事象の地平線を横切る理論計算でも、同じことに遭遇します。時間と空間が、穏やかに言っても、奇妙に振る舞う崩壊する宇宙の状況に身を置くことになります。現代の理論は、これらの極限条件では単に機能しなくなります。
ビッグバンの前や、ブラックホールの中心で何が起こるかわからないのは、私たちの「前」と「後」の概念がそこで崩壊するからです。
過去20〜30年間、物理学者たちはこの問題を解決するためのいくつかのアプローチを提案してきました。最も興味深いものの1つはホログラフィーの原理であり、この問題の主な狂気じみたアイデアに近づくために、それを簡潔に理解する必要があります。
瓶の中の宇宙とホログラフィー
瓶の中の宇宙、というより瓶宇宙を想像してみてください。しかし、この瓶の内部空間は特別な方法で湾曲しています。あなたがその中にいて、壁に向かってどの方向にも歩いているとします。通常の空間では、有限の距離を歩いた後に壁に到達するでしょう。
しかし、このとても奇妙な瓶では、壁に近づくほど、動きが遅くなります。実際、一定の速度で歩きながら壁に到達するには、無限の時間がかかるでしょう。
壁に向けて光線を向けると、有限の時間で壁に到達します。これはそのような幾何学のパラドックスの1つです。壁への物理的距離は無限ですが、光がその距離を移動するのに有限の時間しかかかりません。
すべての常識的直感に反するこの奇妙な空間は、反ド・ジッター空間と呼ばれ、一時期アインシュタインと密接に働いていた天文学教授ウィリアム・ド・ジッターにちなんで名付けられました。
そして、心理的だが本質的に理論的数学的実験を行おうとすると、同じ物理学を記述する完全に異なる2つの理論を構築することが可能であることがわかります。
瓶の内外：異なる現実の描写
瓶の内部の比喩を聞いたことがあるかもしれませんが、ラベルを剥がして現実を見てみましょう。1つの理論は、私たちが瓶の中に住んでいると言います。それが私たちの宇宙で、粒子、重力、3次元空間で満たされています。すべてがここで起こります。惑星、ブラックホール、宇宙全体のサーカス。
しかし、別の理論があります。これは深さや重力を気にしません。内部で何が起こっているかではありません。瓶の壁についてです。第3次元のドラマなしに粒子が活動する、現実の剥ぎ取られた平坦なバージョンです。
さて、ここが核心です。物理学者たちは、これら2つの完全に異なるセットアップが数学的に同一であると主張しています。瓶の内部で起こるすべての出来事には、平坦な表面で起こる完璧な鏡像出来事があります。
湖の波と魚の比喩
狂気に聞こえますか？これを試してみてください。風の強い湖を想像してください。表面には、さまざまなサイズ、形、強度の多くの波が見えます。これらの波は複雑な方法で相互作用し、すべてが明確になるまで、あなたが表面で見ているものがランダムな波ではないと誰かが言うまでは。
これらの波は、表面下の3次元空間で泳ぐ魚の動きと正確に対応しています。一定の深さにいる各魚が表面に一定のサイズの波を作り出すことが判明します。魚の深さは波のサイズによってエンコードされますが、実際に存在するのは表面の波だけです。そして、それらは表面下の3次元空間での物体の動きを描写しているかのように振る舞います。
これが物理学者たちがもてあそんでいるものです。私たちに3次元であると信じ込ませる2次元画像である、くそったれなホログラムのように振る舞う宇宙。絶対にワイルドです。
理論の限界と時間の謎
しかし、あまり興奮しないでください。なぜなら、このアイデアには深刻な問題があるからです。数学的には、ホログラフィックモデルは永遠の宇宙、始まりも終わりもない宇宙でのみ機能します。それは可愛いです。私たちの宇宙には始まりがあったことを知っている点を除けば。私たちはそれを見て、測定しています。宇宙の過去が私たちの顔を見つめています。そして私たちはこの物語がどう終わるかを必死に知りたがっています。
しかし、ここにひねりがあります。これらすべての疑問、私たちがどこから来たのか、どこに向かっているのか、は時間に関する疑問です。そしてそれらに答え始めるためには、時間自体がどこから来るのかを理解する必要があります。
それは、2つの別々のものとしてではなく、1つの奇妙な統一された織物として、時空のコードを解読することを意味します。そして奇妙なことに、大型ハドロン衝突型加速器がその糸を握っているかもしれません。
粒子衝突とファインマン図
その地下の怪物機械では、陽子が猛烈な速度で互いに衝突しています。これらはまだ素粒子ではなく、むしろ本質的に粒子、クォークとグルーオンを含む小さな袋です。それらが衝突するとき、私たちは花火を見るのではありません。データを見るのです。物理学者が一体何が起こったのかを理解するためにデコードしなければならない、終わりのない心をしびれさせる数字の流れ。
そのために、彼らはファインマン図と呼ばれるものを使用します。それらを時空で粒子が相互作用する可能性のあるすべての方法の設計図のようなものと考えてください。1秒間に数十億回の衝突、日々続けて。そして各相互作用には、それに伴う図の絡み合った森があります。
そして、推測してみてください？これらの図は機能します。その予測は的中しています。唯一の問題は、それらが悪夢だということです。数学は残酷です。1つの小さな粒子のダンスを理解するだけで数百ページの方程式が必要です。
数学の奇跡的簡素化
しかし、それから、プロットのひねり。約30年前、物理学者たちは衝撃的なことに偶然出会いました。その複雑な数学すべてが、場合によっては1つの簡単な公式に崩壊するのです。清潔で、エlegant、現実自体がチートコードを隠しているかのように。
偶然か手がかりか？ニマ・アルカニ＝ハメッドはそれがランダムだとは思っていません。彼は本当の悪役は仮想粒子のアイデアだと考えています。ファインマン図では、飛び回っているもののほとんどは現実世界に存在さえしません。これらの粒子は純粋なフィクションです。数学のトリックを行うためだけに現れ、実験が終わる前に消える幽霊です。
実際に系に入り、出て行くのは少数の実在するものだけです。仮想粒子はプロセス内で生まれ、消失します。
では、実際の粒子と実際の物理プロセスのみを考慮に入れたらどうでしょうか？これを行うには、確立された世界の絵を少し破壊する必要がある、とアルカニ＝ハメッドは提案します。
時空を超えた新たな数学
例えば、ほとんどの物理学者に馴染みのある意味での時空を放棄する必要があります。すると、プロセスはもはや時空で発生しなくなります。それらは局所的でなくなり、量子力学の原理と個別に両立しなくなります。
では、どこを見るのでしょうか？確立された数学の道から外れて、組み合わせ論、数論、代数幾何学へと直進します。ほとんどの物理学者が大学院でほとんど横目で見ることもないものです。
アルカニ＝ハメッドは驚くべきことを投下します。5つの粒子を取ってください。1、2、3、4、5。それらを衝突させ、席を交換させるのを見てください。その順列、組み合わせ論で最も単純なおもちゃが、散乱事象に完璧にマップされます。
沼を始点から終点への線として描くと、突然、粒子の殺戮の1つの空間、1つの時間図を見つめることになります。
アイデアをさらに押し進めます。それらの粒子を円に配置します。各初期ラベルを単一のハブを通してその最終ポストにつなげます。バン。振幅図です。その絵のすべての部分は、時空内でゼロの意味を持つ純粋な数学の魔術です。それでも、全体はファインマン図のジャングルと同じ岩のように堅固な予測を吐き出します。
局所性なし、量子物語なし、ただ機能する数字だけ。それは狂気であり、だからこそ私たちはそれを愛するのです。
現実の深層構造
要点は、時空は安っぽいホログラフィックの偽物かもしれないということです。私たちがまだ解読していない、より深い、より冷たい数学エンジンの上に浮かぶ新生の蜃気楼。
風船を描いてください。それを切り刻むと、すべてのパッチは無意味に見えます。しかし、パッチを正確に正しい幾何学で縫い合わせると、プーフ、風船を得ます。ここでも同じ取引です。部分だけでは現実ではありません。壮大な組み立てのみが現実なのです。
多くの方が既に推測しているように、このアイデアは、現代物理学の2つの最も重要で成功した物理理論、相対性理論と量子力学の間の根本的な非互換性を克服する多くの試みの1つです。
これらは私が最近のビデオの1つで話した危機の反響です。そして弦理論や他の主流のアイデアに加えて、既存の物理学と数学に基づいているが、異なるアプローチとそれらへの異なる視点を通じて、特に興味深いあまり知られていないものがあります。
知識を作るのは無料ではありませんが、生き続けるのは1クリックです。好奇心中毒者の私たちの仲間に加わってください。購読し、このビデオを仲間の科学ナードと共有し、賢いコンテンツがまだ重要であることをYouTubeに知らせてください。
コメント