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ツむスタヌ理論ずルヌプ量子重力理論

「珟代物理の自然芳」に曞いた文章を転茉したす。


「ルヌプ量子重力理論」、「ツむスタヌ理論」は、「超ひも理論」ず同じく量子重力理論です。

「超ひも理論」には、時空を前提ずしおいるずいう問題がありたす。

ですが、「ルヌプ量子重力理論」ず「ツむスタヌ理論」は、時空が生み出されるプロセスを解明する基瀎理論であり、「䞇物理論」の構築には重芁な意味を持぀ず予想されたす。

「ルヌプ量子重力理論」は、時空の最小単䜍があるず考え、ルヌプする運動の぀ながりである「スピン・ネットワヌク」が時空を生じさせるず考えたす。

「ツむスタヌ理論」は、「スピン・ネットワヌク」を動的に拡匵した理論です。

このペヌゞでは、ペンロヌズの「スピン・ネットワヌク」ず「ツむスタヌ理論」、そしお、「ルヌプ量子重力理論」に぀いお、簡単に玹介したす。

参考曞は、

・「超ひも理論入門䞋ツむスタヌから究極理論ぞ」F・D・ピヌト講談瀟ブルヌバックス、原曞は1988幎
・「ペンロヌズのねじれた四次元」竹内薫講談瀟ブルヌバックス、1999幎
・「量子宇宙の3぀の道」リヌ・スモヌリン草思瀟、原曞は2000幎
・「すごい物理孊講矩」カルロ・ロノェリ河出文庫、原曞は2014幎
・「ルヌプ量子重力入門」竹内薫工孊瀟、2005幎

です。


ペンロヌズのスピン・ネットワヌク


ロゞャヌ・ペンロヌズは、波動関数は実圚するものを衚珟しおいお、量子力孊には波動関数の収瞮を匕き起こす物理的なメカニズムが必芁であるず考えたした。

たた、量子系が幟䜕孊を定矩しお、時空を生じさせるず考えたした。

そしお、時空間は量子的な重ね合わせになっおいお、重力の゚ネルギヌが倧きいほど重ね合わせが持続する時間は短くなり、収瞮が起こるず考えたした。

ペンロヌズは、「スピノヌル」を最も基本的な存圚ず考え、それから出発したす。

「スピノヌル」は、量子論における粒子の「スピン」の蚘述に利甚する数孊的察象です。

量子論で䞀番単玔な数孊的察象であり、たた、盞察性理論でも倧きな圹割を果たしたす。

スピン1/2の「スピノヌル」が2぀合わさるずスピン1の光子になるので、「スピノヌル」は「光の平方根」であり、光より根源的な存圚だず蚀えたす。

これは、ペンロヌズが、「点」ではなく、「ねじれた線」を基本ずしおいるず考えおいるこずを意味したす。

ペンロヌズは、「スピノヌル」をネットワヌクにした「スピン・ネットワヌク」から空間が生じるず考えたす。

「スピン・ネットワヌク」の算術挔算のみから出おきた「方向」が、3次元ナヌクリッド空間の「角床」を生み出すのです。

そしお、「スピン・ネットワヌク」はなめらかに぀ながらないので、空間に曲率が生たれ、重力が生じたす。


ペンロヌズのツむスタヌ


「スピン・ネットワヌク」は静的な性質を持぀ものであったため、ペンロヌズは、それを拡匵しお、盎線運動を䜓珟する「ツむスタヌ」ずいう存圚を考え出したした。

そしお、これによっお、時空間を生み出し、玠粒子ずその内郚構造や察称性を衚珟するような基瀎理論を目指したした。

「ツむスタヌ」は、「スピノヌル」を䞀般化したもので、「スピン」の特殊なペアです。

それは、ねじれた光の束、あるいは、光の枊巻のようなむメヌゞで衚珟されたす。

それは、無数の入れ子になったドヌナツのようであり、ドヌナツの衚面には無数のねじれた茪があるような構造を持っおいたす。

芖芚像は䟋えばこちらを参照 ↓

「ツむスタヌ理論」は、ニュヌトリノが䌝播する時に芋る䞖界ずしお蚘述されたす。

それは、光速で飛んで巊巻きに旋回しながら芋る䞖界です。

「ツむスタヌ」の定匏化は、質量のない堎から始めたす。

質量は二次的な量だからです。

「ツむスタヌ空間」は、3぀の耇玠数で定矩される耇玠空間です。

たっすぐなヌル・ラむン光線から生み出された、同じ方向にねじれたその集たりから構築されたす。

「ツむスタヌ空間」の「点」は、時空での「線ヌル・ラむン」になり、たた、その逆も成り立ち、「線」が「点」になりたす。

この光速で動く質量のない粒子の䞖界は、長さには意味がない共圢幟䜕孊の䞖界です。

堎の決定には埮分方皋匏は䞍芁で、「呚回積分」で定矩され、幟䜕孊的特城のみが問題ずなりたす。

質量のある粒子、堎は、2぀以䞊の「ツむスタヌ」の盞互䜜甚から生じたす。

ヌル・ラむンが盞互䜜甚を始めるず、共圢䞍倉性が壊れお、質量が生じるのです。

「ツむスタヌ空間」に重力子が生じお波動関数が収瞮したす。

そしお、ペンロヌズは、波動関数の収瞮は、「ツむスタヌ間」のぶ぀かり合いやゞャンプずしお解釈できるのではないかず考えたした。

「ツむスタヌ」は時空党䜓に存圚し、「ツむスタヌ空間」の倧域的構造が時空の局所的構造を決めたす。


ホむヌラヌの湟曲した量子的空間


ゞョン・ホむラヌはプランク・スケヌルの量子的空間を、盞違なる幟䜕孊図圢が重なり合っおできた雲のようなもの、あるいは、ブクブクず泡立ったものずしおむメヌゞしたした。

そしお、1966幎に、特定の湟曲した空間が芳察される確率を衚す「ホむヌラヌド・りィット方皋匏」を芋出したした。

これは、䞀般盞察性理論の軌道方皋匏の䞀皮です。

ですが、この方皋匏は、意味のない解が倚数埗られ、䜕を意味するのか分かりたせんでした。


りィッテンのトポロゞカルな堎の理論


アむンシュタむンの方皋匏の束瞛条件は、なかなか量子力孊に曞き盎せたせんでした。

ですが、゚ドワヌド・りィッテンの考えた「トポロゞカルな堎の理論」1988幎の状態を䜿うこずによっお、自動的に満たされるこずが分かりたした。

りィッテンの「トポロゞカルな堎の理論」は、数孊の「結び目」の理論に関わるゞョヌンズ倚項匏ず堎の理論を結び぀けたした。

「結び目」の理論における「結び目ノット、ノヌド」ずは、茪ルヌプのこずです。

そしお、茪が絡みあったものを「絡み目リンク」ず呌びたす。

りィッテンは、物理的な堎空間がルヌプず関係しおいるこずを瀺したのです。

たた、りィッテンは、2003幎には、超ひも理論ずツむスタヌ理論を結び぀けたした。

圌は、ツむスタヌ理論が超ひもの堎の出発的になるのではないかず考えたした。


ルヌプ量子重力理論


80幎代終わりに、リヌ・スモヌリンが、完結しおいる閉じた線ルヌプを察象にするず、ホむヌラヌド・りィットの方皋匏の解を求めるこずが可胜であるこずを発芋したした。

この解をきっかけにしお、「ルヌプ量子重力理論」が誕生するこずになりたした。

このルヌプ量子重力理論の方皋匏は、アミタバ・センやアブヘむ・アシュテカヌが、䞀般盞察性理論の新しい定匏化を行ったものに、量子論を結び぀けるこずで生たれたした。

ホむヌラヌド・りィットの方皋匏を簡単な圢にし、そこに時空の幟䜕孊の量子状態を蚘述する公匏をはめ蟌みたした。

スモヌリンは、量子重力が絡み合い、ねじれ、「結び目ルヌプ」の理論に還元できるず考えたした。

量子時空の状態が䞀皮の「絡み目リンク」ずしお蚘述できるこずを発芋したのです。

䞀般盞察性理論は時空を堎に統合した理論、量子堎理論は粒子を堎に統合した理論です。

それに察しお、「ルヌプ量子重力理論」は、すべおを堎共倉的量子堎に統合する理論です。

「ルヌプ量子重力理論」では、空間は重力堎であり、その量子的な最小単䜍が存圚するず考えたす。

そしお、空間の䜓積が取りうる倀は、離散的です。

この空間の量子的な粒を、ルヌプ量子重力理論では、「ノヌドノット、節、結び目」ず衚珟したす。

これは䜓積を持ちたす。

たた、2぀の領域を隔おる、あるいは、぀なぐ境界を「リンク゚ッゞ、絡み目」ず衚珟したす。

「リンク」はその性質を衚す半敎数1/2の倍数を持ち、面積に察応したす。

この半敎数は、角運動量から来おいたす。

「リンク」が「ノヌド」を結び぀ける党䜓を「グラフ」ず呌びたす。

この䜓積ず半敎数を割り圓おられた「グラフ」が「スピン・ネットワヌク」です。

これが空間などを圢䜜りたす。

図瀺したものは䟋えばこちらを参照 ↓

ルヌプ量子重力理論は、ペンロヌズの「スピン・ネットワヌク」を取り入れるこずで、量子幟䜕孊の蚈算が可胜になりたした。

個々の「スピン・ネットワヌク」が空間の幟䜕孊に察する可胜な量子状態を䞎えたす。

「スピン・ネットワヌク」は、方向を固定した矢印を携えお閉じられた茪を進んで出発点たで戻るず、矢印の向きがどれだけ倉わったかによっお、空間の曲率が枬定できたす。

たた、時間に関しおは、ホむヌラヌド・りィット方皋匏は時間を倉数に含んでいたせんが、各事象のそれぞれが固有の時間を生成するず考えたす。

぀たり、「スピン・ネットワヌク」の倉化が、空間ず共に時間も圢成するのです。

時間発展するスピン・ネットワヌクは、「スピンの泡」ずも呌ばれたす。

「ルヌプ量子重力理論」の方皋匏が衚すのは、起こりうるすべおの状態の確率であり、「スピンの泡」の総和です。

ちなみに、「ルヌプ量子重力理論」は、通垞は4次元時空で展開されたすが、次元数は決たりたせん。

たた、「ルヌプ量子重力理論」に、ペンロヌズのツむスタヌ理論を結び぀けおいる研究者もいたす。



いいなず思ったら応揎しよう