アマンダGefterによって

アインシュタインの宇宙を超えた現実の理論が形を取っている–と神秘的な宇宙信号はすぐに空白を埋めることができます

それは、私たちが空間と時間が宇宙の絶対的かつ不変の足場であると思ったので、ずっと前ではありませんでした。 その後、アルバート-アインシュタインが来て、異なるオブザーバーがオブジェクトの長さとイベントのタイミングについ 彼の相対性理論は、空間と時間を単一の実体–時空-時間に統一しました。 それは、私たちが現実の生地について考えた方法が二度と同じではないことを意味しました。 「今後の空間はそれ自体で、時間はそれ自体で、単なる影に消えていく運命にある」と数学者ヘルマン・ミンコフスキーは宣言した。 “二人の組合の唯一の種類は、独立した現実を維持します。”

しかし、アインシュタインの革命は十分に行ったのですか？ カナダのオンタリオ州ウォータールーにある理論物理学の境界研究所の物理学者リー-スモリンはそうは思わない。 彼と同僚のトリオは、全く新しいレベルに相対性理論を取ることを目指している、と彼らは彼らの視力に時空を持っています。 彼らは、アインシュタインが私たちのために発明した家を忘れる必要があると言います&コロン;私たちは位相空間と呼ばれる場所に代わこの急進的な主張が真実であれば、何十年も物理学者を困惑させてきたブラックホールに関する厄介なパラドックスを解決することができます。

さらに、それは彼らの心の欲望に向かう道にそれらを設定することができます&コロン;最終的に一般相対性理論と量子力学を結位相空間とは何ですか？

それは、私たちの身近な4次元の空間と時間と運動量空間と呼ばれる4次元の世界を融合させた好奇心のある8次元の世界です。

運動量空間は、最初に聞こえるほど異質ではありません。 あなたの周りの世界を見ると、Smolinは言います、あなたは空間や時間を観察することはありません–代わりにあなたはエネルギーと勢いを見ます。 たとえば、時計を見ると、光子が表面から跳ね返り、網膜に着地します。 光子のエネルギーと運動量を検出することによって、あなたの脳は空間と時間のイベントを再構築します。同じことが物理実験にも当てはまります。

パーティクルスマッシャーの内部では、物理学者は、彼らがお互いに向かって高速化し、衝突するように粒子のエネルギーと運動量、および飛び出してくるデブリのエネルギーと運動量を測定します。 同様に、望遠鏡は宇宙の遠い範囲から流れ込む光子のエネルギーと運動量を測定します。 「私たちが観察していることに従えば、私たちは時空の中では生きていません」とSmolinは言います。 “私たちは勢いのある空間に住んでいます。”

そして、時空が1つの軸上に時間を持ち、3つの次元が1つの軸上に凝縮された座標系として描かれるのと同じように、運動量空間も同じです。 この場合、エネルギーは1つの軸上にあり、運動量（空間のように3つの成分を持つ）は他の軸上にあります（図を参照）。

この運動量空間の測定値を時空の測定値に変換するための単純な数学的変換が存在し、一般的な知恵は運動量空間は単なる数学的ツールであるということである。 結局のところ、アインシュタインは、時空が宇宙のドラマが演じられる現実の真の舞台であることを示しました。Smolinと彼の同僚は、それが完全な話であるかどうか疑問に思う最初のものではありません。

1938年まで遡って、ドイツの物理学者マックス-ボルンは、量子力学におけるいくつかの重要な方程式が、時空座標または運動量空間座標で表現されていても同じであることに気づいた。 彼は、この接続を使用して、時空を扱う一般相対性理論と、粒子が運動量とエネルギーを持つ量子力学の一見互換性のない理論を結びつけることが可能かどうかを疑問に思った。 多分それは量子重力の長い間求められていた理論の鍵を提供することができます。

時空と運動量空間は交換可能でなければならないというボーンの考え-今”生まれた相互主義”として知られている理論–顕著な結果を持っていた&コロン;アインシュタインの理論が示したように、時空が星や銀河の質量によって湾曲することができれば、運動量空間も湾曲することが可能でなければならない。

当時、どのような物理的実体が運動量空間を曲線化するかは明らかではなく、そのようなアイデアを働かせるために必要な数学は発明されてい だからBornは、時空と勢いの空間を平等な立場に置くという彼の夢を決して達成しませんでした。それがSmolinと彼の同僚が物語に入る場所です。

それがSmolinと彼の同僚が物語に入る場所です。 境界研究所のLaurent Freidel、ポーランドのヴロツワフ大学のJerzy Kowalski-Glikman、イタリアのSapienza大学のGiovanni Amelino-Cameliaとともに、Smolinは運動量空間の曲率の効果を研究しています。カルテットは、運動量空間と時空間の変換のための標準的な数学的規則を取り、それらを湾曲した運動量空間に適用しました。

カルテットは、運動量空間 彼らが発見したのは衝撃的な&

ある観測者の時空測定と別の観測者の時空測定との間のこの不一致は、距離遠い距離でfuzzierになります。 「あなたが遠く離れていて、より多くのエネルギーが関与しているほど、イベントは時空の中で広がっているようです」とSmolin氏は言います。たとえば、超新星から100億光年で、その光のエネルギーが約10ギガ電子ボルトである場合、時空内でのその位置の測定は、光秒によって地元の観測者とは異 それは多くのように聞こえないかもしれませんが、それは300,000キロになります。 あなたのどちらも間違っていないでしょう–それは時空の場所が相対的であるということだけです、研究者が「相対的な局所性」と呼んでいる現象。相対的な局所性は、現実の私たちの絵に大きな打撃を与えるでしょう。

時空がもはやすべての観測者が同意できる宇宙の不変の背景ではない場合、それはどのような意味で現実の真の構造と考えることができますか？

“相対的な局所性は、現実の性質の私たちの理解に大きな打撃を与えます”

それはまだ取り組まれるべき質問ですが、相対的な局所性にも利点があ 一つには、ブラックホール情報損失のパラドックスとして知られている頑固なパズルに光を当てることができます。 1970年代、スティーヴン・ホーキングは、ブラックホールがその質量を放射し、最終的には蒸発して完全に消滅することを発見した。 それは興味深い質問を提起しました&コロン;最初にブラックホールに落ちたすべてのものはどうなりますか？

相対性理論は、ブラックホールに落ちるものが逃げるのを防ぎます。 しかし、量子力学は独自の厳格な法律を施行します:物事、より正確にはそれらに含まれる情報は、単に現実から消えることはで ブラックホールの蒸発は、物理学者を岩と硬い場所の間に置きました。Smolinによると、相対的な局所性はその日を節約します。

ブラックホールが蒸発している間、数十億年かかる可能性のあるプロセスを待つのに十分な忍耐強くしたとしましょう。 それが消えたら、あなたは、例えば、かつてその重力のグリップに屈した象に何が起こったのか尋ねることができます。 しかし、象が落ちたと思っていた時間を振り返ると、時空の場所があいまいで不確実になっていたので、象が実際にブラックホールに落ちたのか、狭くそれを逃したのかを知る方法がないことがわかります。 情報損失のパラドックスは解消されます。

“象が実際にブラックホールに落ちたのか、狭くそれを逃したのかを知る方法はないでしょう”

大きな質問はまだ残っています。 例えば、運動量空間が実際に湾曲しているかどうかをどのように知ることができますか？ 答えを見つけるために、チームはいくつかの実験を提案しました。

一つのアイデアは、遠くのガンマ線バーストから地球に到着する光を見ることです。 運動量空間が数学者が”非計量”と呼ぶ特定の方法で湾曲している場合、ガンマ線バーストの高エネルギー光子は、同じバーストからの低エネルギー光子よりも少し後に我々の望遠鏡に到着するはずである。

ちょうどその現象は、2005年にカナリア諸島の望遠鏡によって行われたいくつかの異常な観測から始まって、すでに見られています（New Scientist、15August2009、p29）。 この効果は、2008年に打ち上げられて以来、宇宙の爆発から光を集めてきたNASAのFermiガンマ線宇宙望遠鏡によって確認されています。 「フェルミのデータは、到着時間とエネルギーとの間に相関があることは否定できない実験的事実であることを示しています–高エネルギー光子は低エネルまだ、彼はまだシャンパンを飛び出るされていません。

Amelino-Cameliaが述べているように、観測された遅延が湾曲した運動量空間の真の特徴であるかどうか、またはそれらが「爆発そのものの未知の特性」に帰着しているかどうかは明らかではありません。 ガンマ線バーストの計算では、爆発は瞬間的なものとして理想化されますが、実際には数秒間続きます。 そう考える明白な理由はありませんが、バーストは、観測された遅延を説明する高エネルギー光子の1秒または2秒前に低エネルギー光子を放出するような方法で発生する可能性があります。

相対的な局所性の特性から爆発の特性を解くためには、様々な既知の距離で起こるガンマ線バーストの大きなサンプルが必要です（arxiv.org/abs/1103.5626遅延が爆発の特性である場合、その長さは、バーストが私たちの望遠鏡からどれくらい離れているかに依存しません。 Amelino-CameliaとSmolinのチームの残りの部分は、今心配そうにフェルミからのより多くのデータを待っています。しかし、質問はそこで終わらない。

フェルミの観測が運動量空間が湾曲していることを確認したとしても、彼らはまだ湾曲をしていることを教えてくれません。 一般相対性理論では、時空を歪ませるのは質量の形の運動量とエネルギーです。 運動量空間が基本的である世界では、空間と時間が何らかの形で運動量空間を湾曲させる責任があるのでしょうか？

ロンドンのクイーン-メアリー大学の数学物理学者Shahn Majidによる仕事は、いくつかの手がかりを保持するかもしれません。

1990年代に、彼は曲線運動量空間が非可換時空として知られているものと同等であることを示した。 つまり、座標（x、y）でポイントに到達したい場合、xステップを右にしてからyステップを進めるのか、yステップを進めてからxステップを右に進めるのかは問題ではありません。 しかし、数学者は、この順序がもはや成り立たない時空を構築することができ、時空に固有のあいまいさを残すことができます。ある意味では、このようなあいまいさは、量子効果が成立すると、まさにあなたが期待するかもしれないものです。

量子力学を通常の力学と異なるものにするのは、ハイゼンベルクの不確実性原理:粒子の運動量を測定することによって固定すると、その位置は完全に不確実になり、その逆もまた同様である。 位置と運動量を測定する順序によって、それらの値が決まります。 これは、Majid氏によると、湾曲した運動量空間は別の装いでは単なる量子時空であることを意味しています。

さらに、Majidは、曲率と量子不確実性の間のこの関係が二つの方法で働くことを疑います&コロン;時空の曲率-アインシュタインの相対性理論における重力の現れ–は、運動量空間も量子であることを意味します。 Smolinらのモデルにはまだ重力は含まれていませんが、一度重力が含まれると、観測者は運動量空間での測定にも同意しないとMajid氏は言います。 それで、時空と運動量空間の両方が相対的であるならば、客観的現実はどこにあるのでしょうか？ 現実の本当の生地は何であるか。”アインシュタインの時空がもはやすべての観測者が同意できるものではないなら、それは現実の真の生地ですか？”

Smolinの勘は、時空と運動量空間が出会う場所に自分自身を見つけることです&コロン;位置、時間、エネルギー、運動量のすべての可能な値を表 相対性理論では、ある観察者が空間として見ているもの、別の観察者が時間として見ているもの、そしてその逆のものは、最終的には単一のコインの2つの側面、すなわち統一された時空であるためです。 同様に、Smolinの量子重力の絵では、ある観測者が時空として見ているものは別の観測者が運動量空間として見ており、2つはすべての観測者に絶対的で不変であるより高次元の位相空間で統一されている。 と相対性理論をぶのもうひとつのレベルで別れの両方の空間-時間-運動量空間こんにちは相空間です。「量子重力を扱うとき、時空とエネルギー運動量の分離が誤解を招くことは長い間明らかでした」とImperial College Londonの物理学者João Magueijoは言います。 通常の物理学では、時空と運動量空間を別々のものとして扱うのは簡単ですが、量子重力はそれらの完全な絡み合いを必要とするかもしれません」と 時空と運動量空間のパズルのピースがどのように調和しているかを理解すると、Bornの夢が最終的に実現され、現実の真の足場が明らかになります。Giovanni Amelino-Cameliaらによる相対的局所性の原理（arxiv.org/abs/1101.0931

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