多くの場合、一日の中で出てくる質問は、誰もがかなり自信を持って答えることができるものです。昼食は食べましたか？テイラー・スウィフトの新曲を聞きましたか？それは彼女がかつて付き合っていた男の子についての告白ですか？
しかし、私たちが大きな問題、つまり今日私たちが取り組む問題は、量子力学と一般相対性理論は果たして調和できるのかということについて考え始めると、私たちの自信は急激に落ち込んでしまいます。量子力学は惑星と関係がないのでしょうか？一般相対性理論は、質量と光速度の二乗に等しいエネルギーを持つものですか?待ってください、それは質量ですか、それとも運動ですか?または数分。数分ですね。
恐れることはありません。この質問に答えるのは非常に難しいですが、質問自体はポップスターの歌詞を解読するのと同じくらい簡単です。解決不可能な世界を解き始める前に、コンポーネントを分解してみましょう。
まずは量子力学に取り組みましょう。そして、それは非常に小さなもの、つまり原子および亜原子レベルでの物質と放射線の研究であるため、それは始めるのに適した場所です。通常の古い物理学に少しの修正が必要になったのは、科学者が原子を理解し始めてからです。なぜなら、科学者たちが原子を観察したとき、原子は宇宙の他の部分と同じようには振る舞わなかったからです。たとえば、電子は太陽の周りを回る惑星のように原子核の周りを回っていません。もしそうであれば、電子は原子核に突入していただろう 。
古典物理学では原子スケールでは解決できないことが明らかになりました。したがって、量子力学は、非常に小さな現象が科学における大きなものとはどのように異なる動作をするかを理解する必要性から生まれました。私たちが発見したのは、光子のようなものが粒子（質量とエネルギーを運ぶ）と波（エネルギーのみを運ぶ）として機能する可能性があるということでした。これは大きな問題です。同時に 2 つのことが起こる可能性があります。そしてそれは、宇宙の最も小さな部分は劇的に変動し、いつでも特定の位置を知る方法がないことを意味します。
それはすべて相対性理論です
したがって、量子力学は本質的に、宇宙 (最も小さなスケールに関して) についての考え方を根本的に明らかにしたことがわかりました。たとえば、粒子は波である可能性があります。さらに面白いことに、量子力学の不確定性原理によれば、粒子がどこにあるのか、同時にどのくらいの速度で移動しているのかは実際にはわかりません。
アインシュタインにはそれがなかった。粒子がどこにあり、何が起こっているのかを実際には知ることができないという考えは、宇宙の仕組みの定義に専念していた物理学者にとって非常に不安だったに違いありません。アインシュタインは一般相対性理論を使ってそれを行いました。
さあ、怖がらないでください。一般相対性理論には 2 つの大きな概念があります。1 つは空間と時間に関するもので、もう 1 つは重力に関するものです。あなたや私が見るように、空間と時間は背景にあります。修正されました。それらは時系列的に (そして一種のモノリシックに) 存在します。 一般相対性理論では、空間と時間は 1 つの統一された次元 (便宜的に時空と呼ばれます) です。しかし、ここで重要なのは、時空は大きくて統一されているかもしれませんが、背景にぶら下がっているわけではありません。 一般相対性理論によると、時空は物質の影響を受ける可能性があります。それは、あなたが物質として存在し、空間と時間を変化させていることを意味します。
正確には違います。実際、時空の歪みを引き起こしているのは本当に大きなものです。たとえば、太陽は時空を太陽に向かって湾曲させています。そしてそれは何を意味するのでしょうか？ああ、その通りです。小さな惑星はその周りの軌道に落ちます。
それは私たちを重力に導きます。実際、一般相対性理論は、アインシュタインがニュートンの背中を叩いて「はい、先生、重力はそういうものです！」と言っただけではありません。その代わりに、アインシュタインは、重力の理由を私たちに教えてくれました。時空の曲率によって重力が存在し、宇宙がそのように動作するのです。
それで、何が問題なのでしょうか？アインシュタインは宇宙の驚くべき仕組みを示し、量子力学は原子および亜原子レベルの粒子の興味深い仕組みを示しました。残念ながら、一方がもう一方を説明することはできません。つまり、それらを包含する何らかのより大きな理論が存在するはずです…それともそうではないのでしょうか?
世界は紐の上にあるのでしょうか?
量子力学と一般相対性理論がどのように調和するのかを理解するには、まず、それらが – 現時点で – どのように調和していないのかを理解する必要があります。もう一方が正しい場合、どちらも実際には機能しないことが判明するからです。
アインシュタインは、時空は滑らかな定数であり、それを歪めることができるのは大きなものだけであると言いました。量子力学によれば、宇宙の最も小さな部分は常に劇的に変動し、変化しています。
量子力学が正しく、すべてが常にファジーな動きをしている場合、重力はアインシュタインが予測したように機能しないでしょう。時空も周囲のあらゆるものと常に対立しなければならず、それに応じて行動することになるだろう。さらに、量子力学は、一定の順序を確実に宣言することはできないと述べました。代わりに、確率を予測することで解決する必要がありました。
一方、一般相対性理論が正しければ、物質がこれほど激しく変動するはずはない。ある時点で、すべての物質がどこにあるのか、そしてそれがどこへ行くのかを正確に知ることができるでしょう。これも量子力学とは矛盾します。
しかし、科学者、物理学者、そして安楽椅子の専門家は皆、この 2 つを調和させる方法を必死に見つけようとしているのでご安心ください。最有力候補の 1 つは、粒子が点として機能するのではなく、文字列として機能するという超弦理論です。つまり、波を振ったり、移動したり、ループしたり、通常は 1 つのポイントでは不可能なあらゆる種類のことができるようになります。また、重力を量子レベルで伝達することもでき、粒子が弦上に広がることで、理論的には飛び跳ねたり狂気の雰囲気が少なくなるでしょう。もちろん、これにより理論は一般相対性理論に同意することになります。ただし、弦理論はいかなる実験によっても確認されたことがなく、そもそも証明できるかどうかについては多くの議論があることに留意してください。
このような記念碑的な実験が行われるとしたら、おそらく粒子加速器で行われるでしょう。そこでスーパーパートナーが見つかるかもしれません。 （いいえ、バットマンとロビンではありません）。スーパーパートナーは、各粒子が不安定で異なる回転をする超対称パートナー粒子 (たとえば、電子とセレクトトロン、または重力子と重力子) を持っているという弦理論の一部です。幸運なことに、2010 年に大型ハドロン衝突型加速器で粒子を衝突させたときに最初のヒッグス粒子の証拠を発見したため、ひも理論を実験的に証明する途上にあるかもしれません。
スピンは、電子が互いのスピンに巻き込まれる量子もつれの実験にも役立つ可能性があります。狭い空間では簡単に見ることができますが、科学者たちは、光子を宇宙に送り返し、長距離の空間と時間で光子がどのように機能するかを測定する研究を行っています。
しかし、私たちは、万物理論 (TOE!) を探るためにブラックホールに注目するかもしれません。ブラックホールの中には、非常に重いもの（一般相対性理論が適用される星）と非常に小さなもの（量子力学で説明される、それが押しつぶされる小さな小さな点）があります。したがって、大きなものが小さくなったときに何が起こるか、または何が変化するかを判断できれば、量子力学と一般相対性理論を調和させることができるかもしれません。
著者注: 量子力学と一般相対性理論を統合する日は来るのでしょうか?
記事の見出しが「この主題を恐れないでください」という単なる免責事項であればよかったのにと思うことがあります。アインシュタインの理論や量子力学などのビッグアイデアが、一般大衆の理解を超えているという評判があるのは残念だ。確かに、その背後にある数学はほとんどの人には理解できませんが、数学がなくてもアイデアを理解することはできます。物理学にはドラゴンは存在しません。知らないことを尋ねることを恐れないでください。
