ほんの一週間ほど前、ヨーロッパの物理学者たちは 発表の 彼らはこれまでで最小のスケールで重力の強さを測定したのです。
オランダのライデン大学、英国のサウサンプトン大学、イタリアのフォトニクス・ナノテクノロジー研究所の研究者らは、巧妙な卓上実験で、質量が30ミリグラム弱の粒子にかかる約XNUMXアトニュートンの力を測定した。アトニュートンは、力の標準単位であるニュートンの XNUMX 億分の XNUMX です。
研究者 言う この研究は「宇宙の構造そのものについてのさらなる秘密を明らかにする」可能性があり、物理学の次なる大きな革命に向けた重要な一歩となる可能性がある。
しかし、それはなぜでしょうか?それは単なる結果ではありません。それは方法であり、科学批評家が言うある分野の進むべき道について述べていることは、ループの中に閉じ込められている可能性があります。 コストの上昇と収益の減少.
重力
物理学者の観点から見ると、重力は非常に弱い力です。これは奇妙なことだと思われるかもしれません。朝ベッドから起き上がろうとしているときに、脱力感がありません。
それでも、私たちが知っている他の力、たとえば原子を結合して光を生成する電磁力や、原子の核を結合する強力な核力と比較すると、重力は物体間に比較的弱い引力を及ぼします。
そして、より小さなスケールでは、重力の影響はますます弱くなっています。
星や惑星ほどの大きさの物体では重力の影響を確認するのは簡単ですが、小さくて軽い物体では重力の影響を検出するのははるかに困難です。
重力をテストする必要性
困難にもかかわらず、物理学者は本当に小さなスケールで重力をテストしたいと考えています。現在の物理学における1世紀にわたる謎の解明に役立つ可能性があるからだ。
物理学は 2 つの非常に成功した理論によって支配されています。
1 つ目は、大規模な重力と時空を記述する一般相対性理論です。 2 つ目は量子力学です。これは、物質の基本的な構成要素である粒子と場の小規模な理論です。
これら 2 つの理論はある意味で矛盾しており、物理学者は両方が適用されるべき状況で何が起こるかを理解していません。現代物理学の目標の 1 つは、一般相対性理論と量子力学を組み合わせて「量子重力」理論を構築することです。
量子重力が必要となる状況の一例は、ブラック ホールを完全に理解することです。これらは一般相対性理論によって予測されており、私たちは宇宙で巨大なブラックホールを観察していますが、小さなブラックホールも量子スケールで発生する可能性があります。
しかし現時点では、一般相対性理論と量子力学を組み合わせて、重力、ひいてはブラックホールが量子領域でどのように機能するかを説明する方法がわかりません。
新しい理論と新しいデータ
量子重力のポテンシャル理論への多くのアプローチが開発されています。 ストリング理論, ループ量子重力, 因果集合論.
ただし、これらのアプローチは完全に理論上のものです。現在のところ、実験によってそれらをテストする方法はありません。
これらの理論を経験的にテストするには、量子効果が支配的な非常に小さなスケールで重力を測定する方法が必要です。
最近まで、このようなテストを実行することは不可能でした。非常に大きな装置が必要になるように見えました。世界最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器よりもさらに大きいものです。大型ハドロン衝突型加速器は、高エネルギーの粒子を27キロメートルの周回運動をさせてから衝突させます。
卓上実験
これが、最近の小規模な重力測定が非常に重要である理由です。
オランダと英国が共同で実施した実験は「卓上」実験。大規模な機械は必要ありませんでした。
この実験では、磁場の中に粒子を浮かせ、その上を重りを振って粒子がどのように反応して「小刻みに動く」かを確認します。
これは、ある惑星が別の惑星を通り過ぎるときに「小刻みに揺れる」様子に似ています。
磁石で粒子を浮遊させることにより、弱い重力の影響の検出を非常に困難にする多くの影響から粒子を隔離することができます。
このような卓上実験の利点は、何十億ドルもかからないことです。これにより、小規模な重力実験を実施し、潜在的に物理学を進歩させる上での主な障壁の 1 つが取り除かれます。 (大型ハドロン衝突型加速器のより大型の後継機に関する最新の提案は、 コスト$ 17億.)
やらなければならないこと
卓上実験は非常に有望ですが、やるべきことはまだあります。
最近の実験は量子領域に近づいているが、そこまでは到達していない。このスケールで重力がどのように作用するかを調べるには、関与する質量と力をさらに小さくする必要があります。
卓上実験をここまで推進できない可能性も覚悟する必要がある。
量子スケールで重力の実験を行うことを妨げる技術的な限界がまだある可能性があり、それが私たちをより大きな衝突型加速器の構築へと後退させている。
理論に戻る
卓上実験を使用してテストされる可能性のある量子重力理論の一部は非常に過激であることにも注目してください。
ループ量子重力などのいくつかの理論は、次のことを示唆しています。 空間と時間が消滅するかもしれない 非常に小さなスケールまたは高エネルギーで。もしそうだとしたら、このような規模で実験を行うことは不可能かもしれません。
結局のところ、私たちが知っている実験とは、特定の場所で、特定の期間にわたって起こる類の出来事です。このような理論が正しい場合、空間と時間が存在しない状況でも実験を理解できるように、実験の本質そのものを再考する必要があるかもしれません。
一方で、重力を伴う単純な実験を小さなスケールで実行できるという事実そのものが、結局のところ空間と時間が存在することを示唆しているのかもしれません。
どちらが真実であると証明されますか？それを知るための最良の方法は、机上実験を続けて、可能な限り実験を進めることです。
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画像のクレジット： ガリク・バルセギャン / Pixabay
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- 情報源： https://singularityhub.com/2024/03/04/gravity-experiments-on-the-kitchen-table-why-a-tiny-tiny-measurement-may-be-a-big-leap-forward-for-physics/
