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私の机の上に宇宙全体についての新しい理論が置かれることは滅多にありません。しかし今日は、宇宙全体の量子的振る舞いを説明すると思われるコスモヘドロンについてお話しします。
「この話題は集中的に研究されています…」この論文は、以前のエピソードで取り上げたアンプリチュードロンについて、過去10年間取り組んできたアルカニ＝ハメド周辺のグループから出たものです。
アンプリチュードロンはトランスフォーマーの没キャラクターのように聞こえるかもしれませんが、実際には素粒子物理学における計算の新しい方法です。新しい方法は新しい洞察をもたらす可能性があるため、多くの物理学者は量子物理学と重力を組み合わせる方法の理解にも役立つことを期待しています。この新しい論文はその方向への一歩です。
コスモヘドロンはアンプリチュードロンに基づいています。この新しい論文は数週間前にarxivに掲載されました。著者の言葉を借りれば「ノート」とのことですが、55ページもある「ノート」はエベレスト山を「丘」と呼ぶようなものです。私はその半分程度しか理解できていませんが、全く読まないよりは50%理解できた方がましなので、彼らが何をしようとしているのか説明してみましょう。
この論文は宇宙の波動関数に関するものです。波動関数は量子物理学で粒子とその相互作用を記述するために使用するものです。これは測定結果の確率を計算するためのツールです。
素粒子物理学では通常、ある粒子が別の粒子と相互作用する確率や、崩壊までにかかる時間を知りたいと考えます。これらはすべて波動関数から計算します。しかし原理的には、波動関数は粒子だけでなく、あらゆるものに存在します。
猫や人、惑星、そして宇宙全体にも波動関数は存在します。もちろん実際には、人の波動関数は複雑すぎて全く役に立たないため使用しません。また、人の量子効果は非常に小さく測定できないため必要ありません。ただし、同時に2つの場所に存在する方法を発見した方はコメント欄でお知らせください。
しかし、宇宙全体を見ると、それはさらに大きいものの、量子物理学が再び有用になります。これは、原始宇宙まで遡ると、物質は単なる高温のプラズマスープだったからです。さらに遡ると、物理学者たちは私たちの宇宙が量子的揺らぎから始まったと考えています。
だからこそ宇宙の波動関数は興味深いのです。私たちの宇宙がどのように誕生したかを理解するために必要だからです。これは単なる数学的な問題ではありません。原始宇宙における量子的揺らぎが、その後の物質の分布を決定するからです。つまり観測可能な結果をもたらすのです。
宇宙マイクロ波背景放射の温度揺らぎや銀河フィラメントの構造は、これらの量子的揺らぎによって種がまかれました。そしてその正確な分布は、原始宇宙で何が起こったかについての情報を含んでいる可能性があります。これが論文で計算したいことです。宇宙全体の波動関数を計算して、宇宙がどのように現在の姿になったのかを解明することです。
この波動関数では多くのことが起こっています。粒子が絶えず生成され、他の粒子と衝突して消滅します。通常、物理学者はファインマン図を使ってこの問題に取り組みます。おそらくこれらの図を見たことがあるでしょう。各線は粒子を表しています。入ってくる線があり、中間で何かが起こり、そして出ていく線があります。
これらの図は特定の積分を符号化するのに非常に役立ちます。何を計算すべきかを教えてくれます。問題は、これらの図が無限にあり、すべてを計算できないことです。そのため、最も重要な、最も大きな寄与をする図を最初に計算し、その後より多くの図を使ってより細かい詳細を追加していきます。
しかしこれは非常に複雑な手順で、現在はコンピュータで実行されていますが、それでもかなりの時間がかかります。新しい論文では、宇宙全体の波動関数を計算する異なる方法を提案しています。ファインマン図ではなく多角形に基づいていますが、アイデアは似ています。
多角形は波動関数への寄与を簡略化した表記法で、何を計算すべきかを教えてくれます。各多角形はファインマン図のような粒子の相互作用です。そして各線は粒子の運動量です。運動量は保存されるため、相互作用に入ってくる粒子と出ていく粒子のすべての運動量を取ると、それらの運動量の和はゼロになるはずです。
これは多角形を形成することを意味します！そしてそれらの粒子間にさらなる相互作用がある場合、それは多角形内にさらなる線を作り出します。しかし、どんな多角形も三角形に分割することができます。これを三角形分割と呼びます。したがってこのアプローチでは、より小さな多角形からより大きな多角形を体系的に構築する方法があります。
論文で述べられているように、これらは「入れ子」になっています。つまり、これらの多角形から宇宙全体を構築できるのです。そしてここが重要な部分ですが、これはファインマン図を足し合わせるよりもはるかに簡単です。したがって、アンプリチュードロンと同様に、これは量子効果を計算するためのより強力な方法です。
この論文では実際には測定可能なものは何も計算していません。よく言われるように、さらなる作業が必要です。しかし、量子重力への橋を架ける可能性があるという点で興味深いと思います。
これは、原始宇宙では時空の量子的振る舞いも扱う必要があり、論文のフォーマリズムはそれにも使用できるからです。つまり、量子重力の一部がすでに組み込まれているのです。アルバートもこのアイデアを気に入っています。ちなみに、このビデオには、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。そうですね、これはすべてかなり抽象的です。
しかし、根本的に、深いところで、宇宙は単なる抽象的な数学的問題であることが可能であり、さらにはもっともらしいと私は信じています。ネットワーク、もつれた糸、あるいは多角形かもしれません。個人的には、物理学者たちの表情を見たいので、巨大なゴム製のアヒルであることを期待していますが。はい、また量子物理学について話しました。
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