この動画では、量子コンピューティングで著名なデイヴィッド・ドイツと共同研究者キアラ・マルレットが提唱する「構造理論」について解説している。彼らは最新の論文で時間の起源を説明するという野心的な試みを行っており、従来の物理学とは全く異なるアプローチを採用している。構造理論では、宇宙のあらゆる現象を物理システムへの変換として捉え、「タスク」と呼ばれる変化を「コンストラクタ」が促進するという枠組みで説明する。時間については、最短のタスクである「ヌルタスク」を基準として時間を構築するという革新的な手法を提示している。
時間の謎に挑む構造理論
デイヴィッド・ドイツといえば量子コンピューティングへの貢献で一番有名やけど、毎年ノーベル賞もろてもおかしくないような人やな。でも案外知られてへんのが、彼が「構造理論」っちゅう独自の万物理論を持っとることや。彼とキアラ・マルレットが最近発表した論文で、なんと時間の起源について説明しとるんや。野心的すぎて文句のつけようがあらへんわ。ちょっと見てみよか。
時間っちゅうもんは物理学者にとって頭痛の種やねん。たぶん人間が考え始めた頃からずーっと考えとるけど、時間が一体何なんか、そもそも存在するんかどうかすらはっきりせえへん。今では多くの物理学者が、時間なんて根本的には存在せえへんって信じとるんや。遅刻した時の言い訳には最高やで、信じてくれ、わしは物理学者やからな。
時間が存在しない宇宙から時間が生まれる謎
今回の新しい論文は、根本的には時間が存在せえへん宇宙が、それでも創発的な時間、見かけ上の時間を生み出して、それを変化を追跡するのに使えるようになる、っちゅう例を示しとるんや。これが現代物理学のやり方やねん。まず何かの存在を否定して、それからそれがどこから来たんかを説明するんや。
もうちょっと真面目な話をすると、時間を理解するんがこんなに難しい理由は、量子重力の問題と深く関係しとるんや。つまり、アインシュタインの一般相対性理論と量子物理学の統一がまだできてへんっちゅう問題やな。この二つの理論は時間を全く違う風に扱っとるからや。
一般相対性理論では、時間は座標の一つで、それを選ぶ方法は無数にあるんや。時間は一つだけやなくて、無限にあるんや。ニューヨークに座標格子を置く方法が無限にあるのと同じようにな。これだけでも十分ややこしいけど、量子物理学を加えるともっとひどくなるんや。空間と時間に量子的性質があるなら、いくつもの異なる時間を同時に持てるっちゅうことになるからな。
複数の時間を同時に持つっちゅうのがどういう意味か分からんでも心配せんでええ。誰も分かってへんから。それが問題なんや。
通常の量子重力アプローチ
普通やったら量子重力では、こんなんは全部忘れてまえ、意味があらへん、って言うんや。物質から時間をブートストラップするんや。つまり、物質の配置の相対的な変化を使って、単純な時計みたいなもん、例えば振動子みたいなもんを作って、そこから時間を抽出するんや。オッケー、これが大半の物理学者の考え方の簡単な要約やな。
ドイツとマルレットの革命的アプローチ
でもな、ドイツとマルレットは自然法則に対してまったく違うアプローチを取っとるんや。実際、物理学の教科書を全部無視するその大胆さには敬意を表したいわ。過激なアイデアが好きやったら、これは絶対気に入るで。相対性を抜いた一般相対性理論みたいなもんで、量子を抜いた量子物理学みたいなもんや。
彼らのアイデアは、宇宙全体が結局のところ物理システムへの変換だけで説明できるっちゅうもんや。つまり、最終的に宇宙を定義するのは、どんな変化が可能かっちゅうことなんや。その変化を「タスク」って呼んどる。そして、そのタスクを促進するのが、ここからが重要やけど、「コンストラクタ」っちゅうもんなんや。だから構造理論っちゅう名前なんやな。
コンストラクタの役割
コンストラクタは最終的に、わしらの宇宙で何が起こりうるかを決定するんや。コンストラクタの簡単な例やったら、反応を促進する化学触媒みたいなもんやな。コンストラクタは基本的に物事を起こさせるんや。そのためには、ある程度の複雑さが必要なんや。単一の粒子やったらあかんのや。
だから構造理論は明らかに還元主義的なアプローチやない。むしろ、自然の根本的性質は全部、わしらの宇宙が生み出すことのできるコンストラクタの種類に含まれとるっちゅう考え方なんや。これが妙に逆向きに聞こえるやろうけど、それが狙いなんや。物理学について全く違う考え方なんや。
今回の新しい論文で、彼らはコンストラクタを使って時間を、まあ、構築する方法を定式化しとるんや。
時間の構築方法
最初に考えつくのは、繰り返しタスクを実行するコンストラクタを使うっちゅうことかもしれへん。これは一種の振動みたいなもんで、普通は時計を作る時にやることやからな。でもこれはうまくいかへんのや。繰り返しタスクが実際に同じ時間間隔で起こってるかどうか分からんからや。どんどん遅くなってるだけかもしれへん。Windowsのアップデートみたいにな。
代わりに彼らがやっとることは、最短のタスクを特定することなんや。それは何もしないっちゅうことや。コンストラクタがオンになって、そして単純にオフになるっちゅうことや。これを「ヌルタスク」って呼んどる。こういう可能なヌルタスクを全部まとめてグループ化するんや。そして、どんなシステムの変化でも、これらのヌルタスクを基準にして測定するんや。
こうすることで、変化の尺度、つまりある意味での時間を導入したことになるんや。みんな、これをどうやって説明したらええか二日間考えてみたけど、これが精一杯やわ。ほんまに高度に抽象的なんや。でも物理学には、微分方程式と初期条件なんかの支配的な枠組みから抜け出すこういうアイデアが必要やと思うんや。だからこの大胆さは歓迎したいわ。
理論への疑問と評価
とは言うたものの、正直この議論はちょっと循環論法みたいに思えるんや。だって時間がまだないのに、どうやってタスクが実行できるんや？でも多分わしの頭が小さすぎてこれを理解できひんだけかもしれへん。わしのでたらめメーターでは、これは0か10のどっちかやけど、どっちか分からへん。構造理論がいつかもっとええでたらめメーターを作ってくれることを期待しとるわ。すまんけど、わしもちょっとヌルタスクに専念せなあかんねん。
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