量子泡
プランク長さにおける量子実在がどのように見えるかについてのウィーラーの計算のグラフ表現

量子泡（または時空泡、時空バブル）は、量子力学に基づく、非常に小さなスケールにおける時空の理論的な量子ゆらぎである。この理論によれば、この小さなスケールでは、物質と反物質の粒子が絶えず生成され、消滅すると予測されている。これらの素粒子は仮想粒子と呼ばれる。[ 1 ]この概念は1955年にジョン・ホイーラーによって考案された。 [ 2 ] [ 3 ]

背景

量子重力理論が不完全なため、小さなスケールで時空がどのように見えるかを確信することは不可能です。しかし、時空が根本的に滑らかである必要があるという明確な理由はありません。代わりに、量子重力理論では、時空は多くの小さな、絶えず変化する領域で構成され、その中で空間と時間は明確ではなく、泡のように変動する可能性があります。[ 4 ]

ジョン・ホイーラーは、不確定性原理は、十分に小さな距離と十分に短い時間間隔において、「時空の幾何学そのものが変動する」ことを意味するかもしれないと示唆した。 [ 5 ]これらの変動は、巨視的スケールで見られる滑らかな時空から大きく逸脱するほど大きく、時空に「泡沫状」の性質を与える可能性がある。

実験結果

仮想粒子によって引き起こされる可能性のあるカシミール効果の実験的証明は、仮想粒子の存在の強力な証拠です。ミューオンと電子によって形成される磁石の強さを予測するG-2実験も、仮想粒子の存在を支持しています。[ 1 ]

2005年、ブレーザーのマルカリアン501から到達するガンマ線光子の観測中に、MAGIC（主要大気ガンマ線撮像チェレンコフ）望遠鏡は、異なるエネルギーレベルの光子が異なる時間に到達したことを検出しました。これは、一部の光子がよりゆっくりと移動したため、光速度が一定であるという特殊相対性理論に違反していることを示唆しており、この矛盾は量子泡の不規則性によって説明できます。[ 6 ]しかし、その後の実験では、空間の粒状性による光速度の想定される変動を確認することができませんでした。[ 7 ] [ 8 ]

遠方のガンマ線バーストからの光の偏光に関する他の実験でも矛盾する結果が得られている。[ 9 ]地球上でのさらなる実験が進行中[ 10 ]または提案されている[ 11 ] 。

量子ゆらぎの大きさに対する制約

時空泡の揺らぎ特性はプランク長さ（≈10-35m ） のオーダーの長さスケールで発生すると予想されるが[ 12 ] 、量子重力のいくつかのモデルでははるかに大きな揺らぎが予測されている。

光子は量子泡によって減速されるはずであり、その速度は光子の波長に依存する。これはローレンツ不変性に反する。しかし、 NASAゴダード宇宙飛行センターのフロイド・ステッカーによる近傍クエーサーからの放射観測では、ローレンツ不変性の破れの証拠は見つからなかった。[ 13 ]

泡沫時空では距離の測定精度にも限界が設けられる。これは、霧を通過する光が拡散するのと同様に、光子が時空泡沫中をランダムに拡散するからである。このため、望遠鏡で観測される非常に遠方の物体の画質は低下するはずである。NASA のチャンドラ X 線観測衛星、フェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡、および超高エネルギー放射線画像望遠鏡アレイ(VERITAS)による地上ガンマ線観測を用いたクエーサーの X 線およびガンマ線観測では、最遠距離でも画質の低下は確認されなかった。これは、少なくとも水素原子核の 1000 分の 1 の距離まで時空が滑らかであることを意味しており、[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]時空の量子ゆらぎの大きさに上限を設けている。

他の理論との関係

真空の揺らぎは真空に真空エネルギーと呼ばれる非ゼロのエネルギーを与える。[ 19 ]

スピンフォーム理論は、ホイーラーの考えを定量化する現代的な試みです。

参照

注記

  1. ^ a b Quantum Foam、ドン・リンカーン、フェルミ国立加速器研究所、2014年10月24日
  2. ^ Wheeler, JA (1955年1月). "Geons". Physical Review . 97 (2): 511– 536. Bibcode : 1955PhRv...97..511W . doi : 10.1103/PhysRev.97.511 .
  3. ^ミンスキー、カーリー（2019年10月24日）「科学者によると、宇宙はミニ宇宙を含む小さな泡でできている。『時空泡』は既知の宇宙の中で最も驚くべきものかもしれないが、私たちはそれを理解し始めたばかりだ」 Vice 。 2019年10月24日閲覧。
  4. ^ Wilczek の講義で紹介された Derek Leinweber の時空泡の QCD アニメーションを参照してください。
  5. ^ウィーラー、ジョン・アーチボルド、フォード、ケネス・ウィルソン (2010) [1998].ジオンズ、ブラックホール、量子泡：物理学の人生. ニューヨーク：WWノートン・アンド・カンパニー. p. 328. ISBN 9780393079487 OCLC  916428720
  6. ^ 「ガンマ線の遅延は『新しい物理学』の兆候かもしれない」2021年3月3日。
  7. ^ Vasileiou, Vlasios; Granot, Jonathan; Piran, Tsvi; Amelino-Camelia, Giovanni (2015). 「プランクスケールにおける時空ファジネスの限界と確率的ローレンツ不変性の破れ」 . Nature Physics . 11 (4): 344– 346. Bibcode : 2015NatPh..11..344V . doi : 10.1038/nphys3270 .
  8. ^ Cowen, Ron (2012). 「宇宙競争は引き分けに終わった」 . Nature . doi : 10.1038/nature.2012.9768 . S2CID 120173051 . 
  9. ^インテグラルはアインシュタインの先を行く物理学に挑戦 / 宇宙科学 / 私たちの活動 / ESA。
  10. ^ Moyer, Michael (2012年1月17日). 「宇宙はデジタルか？」 Scientific American . 2013年2月3日閲覧。
  11. ^ Cowen, Ron (2012年11月22日). 「単一光子で量子スケールのブラックホールを検出できる」 . Nature News . 2013年2月3日閲覧。
  12. ^ホーキング、スティーブン・W. (1978年11月). 「時空泡」.核物理学B. 144 ( 2–3 ) : 349–362 . Bibcode : 1978NuPhB.144..349H . doi : 10.1016/0550-3213(78)90375-9 .
  13. ^ 「アインシュタイン、余剰次元を基準に」 NASA. 2019年7月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月9日閲覧。
  14. ^ 「NASA​​の望遠鏡が時空量子「泡」の限界を定める」2015年5月28日
  15. ^ 「Chandra Press Room :: NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum "Foam":: 28 May 15」chandra.si.edu . 2015年5月29日閲覧。
  16. ^ 「チャンドラX線観測所 – NASAの主力X線望遠鏡」 chandra.si.edu . 2015年5月29日閲覧。
  17. ^ Perlman, Eric S.; Rappaport, Saul A.; Christensen, Wayne A.; Jack Ng, Y.; DeVore, John; Pooley, David (2014). 「X線およびガンマ線観測による量子重力への新たな制約」. The Astrophysical Journal . 805 (1): 10. arXiv : 1411.7262 . Bibcode : 2015ApJ...805...10P . doi : 10.1088/0004-637X/805/1/10 . S2CID 56421821 . 
  18. ^ 「Chandra :: Photo Album :: Space-time Foam :: May 28, 2015」chandra.si.edu . 2015年5月29日閲覧。
  19. ^ Baez, John (2006年10月8日). 「真空のエネルギー密度はいくらか？」2007年12月18日閲覧。

参考文献

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