本動画では、宇宙の大部分を占めるとされるダークマター(暗黒物質)の問題に対する新しいアプローチが紹介される。従来のダークマター理論や修正ニュートン力学(MOND)に代わる第三の選択肢として、重力の「非局所性」という概念が提案されている。この新理論は、銀河団スケールではダークマターのように振る舞い、銀河スケールではMONDのように振る舞うという、両理論の長所を組み合わせた特性を持つ。量子重力理論との整合性も期待されるこの斬新なアイデアは、重力の根本的な理解を変える可能性を秘めているが、数学的な複雑さや理論構築の恣意性など、克服すべき課題も残されている。
宇宙の謎とダークマター問題
物理学者たちは、宇宙の大部分を構成する物質が何であるかを知りません。彼らはそれが一種の「暗黒」物質であり、重力的引力を通じてのみ姿を現すと考えています。しかし、それは完全に間違っているかもしれません。
今日は、新たな種類の物質を導入することなく私たちの観測を説明する新しいアイデアについてお話ししたいと思います。むしろ、私たちは重力の実際の働き方を誤解していたのです。これは新しいタイプの修正重力理論であり、以前のアイデアの問題を克服し、場合によっては観測を量子重力と結びつける可能性さえあります。見ていきましょう。
物理法則の局所性
私たちが発見した物理法則には共通点が一つあります。それらは局所的だということです。これは、二つの異なる場所にある物体は互いに相互作用できないことを意味します。お互いについて何も知らないのです。理論家と実験家のような関係ですね。
一方の物体からもう一方へ何らかの信号を送ることによってのみ、互いの存在に反応できるのです。なぜ自然の法則がそうなっているのか、私たちには分かりません。特別な理由があるわけではありません。ただ、それが私たちの経験と一致しているだけです。
ニュートンの重力理論は局所的ではなく、このことは当時のニュートンを非常に悩ませました。ニュートンの重力法則を見てみると、重力は質量に比例し、距離の二乗に反比例します。そして、質量を動かすと距離が変化し、力がどこでも瞬時に変化します。
ニュートンはこのことを非常に心配していました。彼はこれを「遠隔作用」と呼び、アインシュタインもこの表現で同じことを意味していました。
アインシュタインの一般相対性理論
現在私たちが重力を記述するために使用しているアインシュタインの一般相対性理論には、この問題がありません。アインシュタインの理論では、重力は空間と時間の曲率によって記述されます。そして、この曲率は時空内の質量とエネルギーによって引き起こされます。
時空の曲率を引き起こす質量を動かすと、曲率は変化しますが、瞬時には変化しません。変化は光速で外側に伝播していきます。したがって、物理学者が言うように、アインシュタインの理論は「局所的」なのです。
問題は、数十年にわたって天体物理学者たちが、私たちの宇宙理解に何かがおかしいという証拠を積み重ねてきたことです。なぜなら、私たちが宇宙、私たちの銀河、他の銀河、あるいは銀河団を観測するとき、アインシュタイン理論の予測が単純に実現しないからです。空間は、そこにあると私たちが考えている質量とエネルギーから予想されるよりもはるかに曲がっているのです。
ダークマターという仮説
この問題を解決する一般的な方法は、このもの、つまりダークマターを仮定することです。物理学者たちは数十年にわたってそれを見つけようとしてきました。実際、少し気まずいことになっています。
この新しい論文の著者たちは、今や全く異なることを提案しています。彼らは、結局のところ重力は局所的ではないのかもしれないと言っています。そうであれば、ある点での曲率はその点の質量だけによって引き起こされるのではないからです。
それに加えて、他の場所にある質量からの寄与があります。そしてそれはどのように現れるのでしょうか? まあ、時空に質量が多すぎるように見えるのです。
ダークマターが実際には非局所性の産物に過ぎないという考えは、全く新しいものではありません。新しいのは、ちょうど先週、新しい論文が発表され、その著者たちが非局所重力は通常ダークマターに帰属される観測のほぼすべてを説明できると主張していることです。
新理論の特徴とMONDとの関係
彼らはこれらすべての観測を検証することによってではなく、ある特定の領域、つまり銀河団のような非常に大きな距離において、非局所重力がまさにダークマターのように見えることを示すことによってそれを行っています。しかし、銀河内部では異なる振る舞いをし、修正ニュートン力学、略してMONDに非常によく似ています。
覚えておられるなら、MONDはダークマターの主要な競合理論でした。銀河回転曲線のようないくつかのケースではうまく機能します。しかし、銀河団のような他のケースでは問題があります。
基本的に、観測は少なくとも20年前から、私たちが本当に必要としているのは、MONDがうまく機能しない銀河団スケールではダークマターのようなものと、ダークマターがうまく機能しない銀河スケールではMONDのようなものの間を補間する理論だと私たちに告げています。そして、この非局所重力はまさにそれを行っているように見えます。
さらに良いことに、重力が完全に局所的ではないという考えは、量子重力理論で自然に見出されると期待されるものです。なぜなら、量子物理学は局所的ではないことを私たちは知っているからです。私はこのアイデアがとても気に入っています。
理論の課題と評価
しかし、ああ、そうです、しかしがあります。しかしというのは、まさにこの理論が… 提案された理論は、どんな量子理論とも両立させることができるとは到底思えない非常に複雑な微分方程式を含んでいます。
また、より実用的なレベルでは、信じられないほど難しく、これが広く受け入れられることを困難にするでしょう。さらに、MONDの領域からダークマターの領域への移行は、彼らの形式から自然に導かれるのではなく、実質的に手作業で導入されています。
これは、最も経験豊富な物理学者でさえ泣かせるような種類の数学です。ですから、私はこの論文に、ナンセンス度の評価として10点満点中5点を与えます。
まだ査読は受けていませんが、おそらく数学的には正しいでしょう。つまり、私は計算をチェックしていませんが、彼らは自分たちが何をしているかを知っているように見えます。これは、何よりも、理論物理学者を財務アドバイザーとして信頼すべきではないことを教えてくれます。
とはいえ、この理論は明らかにこの補間を行うように設計されています。これは問題ではありません。つまり、理論はそのように機能するのです。仮定を立てて、それがデータにどのように適合するかを見るのです。
結論と宇宙のつながり
しかし一方で、ある領域ではダークマターを使い、他の領域ではMONDを使うと単純に言って、この非局所的なものすべてを心配しなくてもよいとも言えます。個人的には、ダークマターは単なるチーズだと思っています。すべてを少し魅力的にするのです。
しかし、もしそれが本当に非局所重力なら、それは宇宙のすべてがつながっていることを意味します。最終的には、理論物理学者と現実も含めて。
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