科学者たちが探る時間と空間の本質
一部の研究者が、一般相対性理論と量子力学の間に潜在的なつながりがあることを明らかにした。この発見は、物理学者に空間と時間の本質を再考させることになるかもしれない。
空間と時間の本質
1915年、アルベルト・アインシュタインは一般相対性理論を発表し、重力を時空の基本的な性質として記述した。彼は、エネルギーと運動量によって時空がどのようにゆがむかを表す一連の方程式を提示した。
アインシュタインによれば、重力は物理学者アイザック・ニュートンが説明したような単なる通常の力ではない。重力は、物体の質量によって生じる時空の曲がりとみなすことができる。
アインシュタインの理論は、光さえ脱出できないほど強い重力を持つブラックホールの性質も説明する。また相対性理論によれば、重力は時間もゆがめ、重力が強い場所ほど時間の進みは遅くなる。
1970年代、物理学者のスティーヴン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインは、ブラックホールの表面積とその微視的な量子構造との関係に注目した。これは、アインシュタインの一般相対性理論と量子力学との結びつきを示す最初の手がかりとなった。
それから30年足らずの後、理論物理学者のフアン・マルダセナは、重力と量子の世界の間にもう一つのつながりを見いだした。この発見から、物体の異なる表面領域間のもつれ（エンタングルメント）を変えることで、時空を生み出したり消し去ったりできるという考えに基づくモデルが生まれた。言い換えれば、時空は物体間のもつれの産物だということになる。
一般相対性理論と量子力学の間にはつながりがある。（写真：Internet）
さらに詳しく調べるため、カリフォルニア工科大学のチュンジュン・ツァオ（ChunJun Cao）氏とショーン・キャロル（Sean Carroll）氏は一連の検証を行った。彼らは、時空が量子もつれから生じる枠組みを用いて、（一般相対性理論で知られている）重力の性質を導き出せるかどうかを確かめようとした。この研究はプレプリントサーバーarXivで公開された。
ヒルベルト空間と呼ばれる抽象的な数学的概念を用いて、ツァオ氏とキャロル氏は、量子もつれを支配する方程式とアインシュタインの一般相対性理論の方程式との間に類似性を見いだした。これは、時空と重力がもつれから生じるという考えを裏付けるものだ。
キャロル氏によると、研究の次の段階は、彼らが置いた仮定が正しいかどうかを確かめることだという。「最も明白な課題の一つは、相対性理論の対称性がこの枠組みの中に現れるかどうか、特に物理法則は私たちが空間をどれだけの速さで移動しているかに依存しないという考えが成り立つかどうかを確認することです」と同氏は述べた。
万物の理論
今日、宇宙の物理的側面について私たちが知っていることのほとんどすべては、一般相対性理論か量子力学のどちらかで説明できる。一般相対性理論は、惑星や銀河のような非常に大きなスケールでの物体のふるまいを見事に説明してきた。一方、量子力学は、原子や亜原子粒子のような非常に小さなものを理解する助けとなる。
しかし、この二つの理論は互いに相いれないように見える。そのため物理学者たちは、空間と時間の本質を含むすべてを説明できる唯一の枠組みである「万物の理論」を探し求めてきた。
科学者たちは時間と空間の本質を再考している。（写真：Internet）
重力と時空は「万物」の重要な一部であるため、キャロル氏は、自身とツァオ氏の研究が一般相対性理論と量子力学を調和させる理論の探求を前進させる可能性があると考えている。ただし、それは困難な取り組みだとも指摘した。
「私たちの研究は、自然界の他の力についてはまだあまり多くを語れていません。最終的な成果まではまだ遠い道のりです」とキャロル氏は語った。それでも、もしそのような理論を見つけることができれば、科学者が直面している最大級の疑問のいくつかに答えられるかもしれない。暗黒物質や暗黒エネルギー、ブラックホール、そして宇宙のその他の謎めいた天体の真の姿を理解できる可能性がある。
現在、研究者たちは量子の世界の能力を活用してコンピューターシステムの改良に取り組んでおり、万物の理論は、いまだ不明な点の多いこの分野に新たな知見をもたらすことで、その進展を加速させる可能性がある。
キャロル氏によれば、理論物理学者が万物の理論を追い求める過程で、新たな研究は成果の有無にかかわらず、一つひとつが私たちを宇宙の謎へと一歩近づけてくれるという。
