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デイビッド・グロス:「超対称性が発見されるに違いない」2

投稿日時: 02/07 システム管理者

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思考プロセスはどのように進んでいますか?
AS:弦理論(ひも理論)では、弦のアイデア自体が現実の良いモデルですか、それとも単なるイラストですか?
DG:弦理論の観点から現実を説明することは、粒子の観点から場の量子論を説明することに似ています。量子色力学(核力の理論)では、クォーク、グルーオン、およびそれらの間の距離に関して便利な説明があります。しかし、これはおおよその説明にすぎません。場の量子論の観点から、量子色力学のより良い説明があります。弦理論では、実際には最初の記述だけがあり、2番目のより正確な記述はありません。特定の側面なら弦理論の多くの説明がありますが、多かれ少なかれ完全な説明は、ある時空で動く弦に関するものだけです。弦理論では、場の量子論の経路積分に相当するものはまだありません。これ以上の基本的な定式化がなく、これは弦理論におけるテーマの1つです。

SP:しかし、ひもとしてのこの説明は、実際の物理的な直感に役立ちますか?

DG:はい、もちろんです。

AS:個人的に仕事をしていく上でより頼りにするのは、物理的直観と数学的直観のどちらでしょうか?

DG:それらを区別するのはかなり難しいです。数学は言語であり、非常に発達した言語です。私たちが考えるとき、私たちは視覚的なイメージで操作します。しかし、私たちは思考を言語で整理し、数学は非常に高度な言語形式です。したがって、理論物理学者は数学的に考える傾向があります。しかし、もちろん、思考のプロセスがどのように進行するかを正確に説明することはできません。私はそれをしようとさえも思いませんし、多くは無意識のうちに起こります。


数学の現実は宇宙人が証明する
SP: 数学は言語だとおっしゃいましたね。自然を言語で記述する際に、私たちはこの記述を発明したのでしょうか、それとも自然現象の根底にあるのは数学的法則なのでしょうか?例えば、ガリレオにとっては、そのような疑問はありませんでした - 彼は、自然の本は数学の言語で書かれており、誰が書いたかは非常に明白だと述べました。


DG:私たちが自然や数学を発明していると言うのは間違っています。それどころか、私たちは自然によって発明されました。同時に、私たちは自発的に現れなかったと思います。いいえ、私たちは私たちが神によって創造されたとは信じていません。私たちは自然の一部として進化してきました。ですから、自然環境の中で生き残るために進化してきた私たちの心が、自然を十分に理解するために必要な能力を発達させてきたのは当然のことです。違った結果になったとしたら不思議です。したがって、ほとんどの数学者はある程度物理学者であると思います。物理学者は現実の世界を説明し、自然界に存在するものを発見します。そして数学者は一般的に同じことをします。学者アーノルドがこれについてどう思っているかを尋ねる人もいるかもしれませんが、ほとんどの数学者は自分たちが物を発明するのではなく、発見すると信じていると思います。

プリンストン大学の同僚で有名な物理学者ユージン・ウィグナーは、「自然科学における数学の不可解な効率性」を好んで話していました。私は彼に同意していないし、理解できないことは何も見ていない。数学は、自然を理解し、その中で最適な生存を実現するためのツールとして、私たちが創造した(あるいは自然進化によって進化した)言語から成長してきました。だから私は、数学は本質的に自然の一部であり、それを発見していると考えています。数学が自然を記述するのが得意だという主張は、ほとんど同語反復に近い。

ちなみに、これは実験的に検証することができます。私はこれについて数学者と話し合いました-私に同意する人もいれば、同意しない人もいます。このように確認できます。いつの日か、銀河の反対側にある別の文明とのつながりを確立するとしましょう。世界は1つしかないので、私たちとほぼ同じ物理学を持つことに誰もが同意します。(そして、彼らが私たちよりも弦理論をよりよく理解することを願っています。)しかし、私たち自身に問いかけましょう:彼らは同じ数学を持っているでしょうか?一部の数学者はノーと言います、彼らは完全に異なる数学を発明することができます。しかし、私はそうは思いません。彼らの数学は私たちの数学と非常に似ていると思います。実はその歴史も彼らの数学の発達は私たちとほぼ同型であるでしょう。もちろん、わずかな外部の違いも可能です。しかし、何世紀にもわたる規模を見ると、彼らの数学は同様の道に沿って発展するでしょう。いつかこの仮説を検証できることを願っています。

人類原理の認識論的悲観論
SP:これはかなり楽観的な見方です。人類の将来がどうなるかはまだ分からないからです。

DG:そうですね、それでも勝ちます。私たちの手法が課題に適さないという指摘はありません。それらは完璧に機能していて、私たちはすでに驚くべき結果を得ています。では、なぜ悲観的になるのか?ロシアでは悲観論者になるのが流行なのは知っています。また、科学者の間だけではありません。ビジネスパーソンの間でも見たことがあります。

SP: 講演の中で、人類学的な原理に非常に批判的なご意見がありましたが、どのようにお考えでしょうか?しかし、あなたが今言ったことは、同じではないにしても、少なくとも人類学的原理の精神で推論することと非常に似ています。

DG:いや、そうでもないですね。もちろん、人類学的原理には一定の論理があります。私たちはここに座っているので、私たちは生きているので、私たちの世界は私たちの存在に必要な一定の性質を持っていることを意味します。しかし、私の直感がこれを教えてくれます。歴史がこれを教えてくれます。私たちの存在のために特別に作られたように見えるものは、最終的には自然な説明を得ることができるでしょう。


たとえば、氷は水よりも軽く、その表面に浮かんでいるという事実を考えてみましょう。それは私たちにとって非常に重要です。氷が浮かなければ、夏には海が溶けず、生命が発達しません。これは人間原理によるものと言えます。水は確かに非常に珍しい液体ですが、今日、私たちは化学のおかげでその特性を理解しています。実際には、原子物理学、化学、生化学、生物学、そして最後に、生命とそれに基づく私たちの心さえも、ご存知のように、量子力学、電磁気学によって記述されています。これは信じられないほど強力な理論の例であり、原則として-もちろん実際にはありませんが、原則として-電気的相互作用の力を除いて、任意の仮定と自由パラメーターは含まれていません。非常に簡単な理論と1つの数字で、水、有機物、生命のすべての性質を計算することができます... まさに反人類主義の勝利です。

100年前は、科学で生命を説明することはできないと多くの人が考えていました。今は基本的なレベルで生命を理解していると考えれば、十分な理論を持っています。もちろん、原子から始まって、脳を構築して理解することはできません。そしてもちろん、すべての仕組みを理解するために必要な方法を開発するには、長い時間が必要になります。しかし、その理解は最終的には恣意的な要素を持たない理論の上に成り立つ。私の考えでは、人々はしばしば、非常に難しい質問に答えることができないために、自分たちの力への不信感から、議論を求めて人類学的原理に目を向けることがあります。しかし、歴史を見れば、解けないと思われる質問でも、最終的には答えが出てくることがわかります。


もちろん、それらはいくつかの点で正しが-いくつかの質問には答えることができません。宇宙の発展には多くの事故があり、科学がそれらを説明しようとして失敗することがあります。たとえば、ケプラーは、太陽系の惑星軌道の半径を計算できると信じていました。彼は正多面体の美しいシステムを構築し、そこから半径のセットを取得しました。そして、それらは太陽系の軌道のサイズに似ていましたが、軌道半径を予測することは、1年後-2007年5月13日の午前11時のモスクワの天気を予測するようなもので、これは計算できるものではなく、計算しても面白くありません。

もちろん、基本量として物理法則に含まれている私たちの世界のパラメータは、同じランダムな性質を持っていることが判明するかもしれません。これは、人類原理に従う人々が言うことです。この可能性は捨てることができません。人々は無力感からこれらの考えにたどり着くのではないかと思います。そうすれば、歴史は彼らが間違っていたことを示すでしょう。しかし、それらが間違っていることを証明する唯一の方法は、過去に起こったように、予測力を備えた実用的な理論を提供することです。したがって、たとえば、物理学が生命を説明できる科学を証明する唯一の方法は、DNAの構造の発見、量子力学、原子物理学、生化学などの理解でした。

SP:それで、あなたは辛抱強くなるようにアドバイスしますか?

DG:一生懸命働くことをお勧めします。


空間の次元は実験的な課題です


AS:主に実験材料を扱う多くの物理学者や天文学者は、これらの多次元理論は物理的現実からかけ離れていると信じており、現実世界の科学というよりは数理ゲームです。

DG:たぶんそうです。科学は興味深いものです。なぜなら、予測力のある発見をするまで、誰も答えを知らないからです。だからそれは実験の問題です-時空は多次元です。多くのモデル、特に弦理論では、これが当てはまると想定しています。これらはおそらく非常に小さい寸法であり、見るのが難しいと考えられています。ただし、これらが十分に大きく、観察にアクセスできる可能性があることを除外していません。これは純粋に科学的な質問です。

今日、天文学者や天体物理学者は、アインシュタインによって開発された非常識な数学的理論をほとんど認識しています。そしてそれを認識すれば、時空は動的な物体であり、次元の数の問題は科学的な問題であることが理解できます。これらの寸法の一部は非常に小さく、検出が難しい場合がありますが、正直な方法はそれらの存在を確認することだけです。

正しい科学的アプローチは次のとおりです。物事をより深く理解することがあなたに新しい質問を提起し、新しい可能性を開く場合(たとえば、一般相対性理論のように)、これらの新しい質問と可能性を探求する必要があります。弦理論の場合、追加の次元が必要な理由はおおいにあり得ます。しかし、これは未解決の科学的問題です。現在、それらの存在の確固たる証拠はありません。しかし、これは常に当てはまります。新しいアイデアに対処するのは簡単ではありません。

大型ハドロン衝突型加速器が優れている理由
JV:あなたの講義で、CERN大型ハドロン衝突型加速器(大型ハドロン衝突型加速器、LHC)の建設現場-弦理論の検証のための最も有望な装置であると述べました。ただし、そのエネルギーは、アメリカのテバトロンなどの既存の加速器のエネルギーよりも1桁高いだけです。大統一のエネルギーが少なくとも10桁高いのに、なぜ1桁のステップだけが根本的に新しいデータを取得するのに役立つと思いますか?

DG:この加速器は、標準モデルの予測を完全にカバーするために必要なエネルギーのスケールへの脱出を初めて可能にするので、非常に重要です。

もう一つの重要な理由は、新しい物理学、新しい基礎物理学に関連した効果がこのエネルギースケールで現れ始めることを示す、非常に説得力のある実験結果が多数存在することです。このようなエネルギーでは、弦理論の重要な要素である量子(超対称)時空の新しい次元が発見されると期待されている理由を説明します。新しい対称性、新しい量子時空次元が、LHCで達成可能なテラ電子ボルトのエネルギーで最初に発見される可能性を支持する3つの独立した議論があります。

これらの議論の1つは、相互作用の組み合わせに由来します。力の統一の簡単なスキームは、超対称性の存在を必要とします。これは、LHCで利用可能なエネルギーのオーダーのエネルギーで顕著になりますが、これを確実に予測することはできません。

2番目の議論は、重力が強いスケールとそれが非常に弱い核スケールとの間の巨大な格差を理解しようとすることと関係があります。繰り返しになりますが、超対称性は、このスケールの大きな違いを自然で美しい説明にしています。

最後に、宇宙物理学から学んだことは、宇宙に存在する物質のほとんどは、目には見えないが重力を感じる暗黒物質という未知のタイプに属しているということです。暗黒物質が構成するかもしれない粒子をたくさん発明することができますが、標準モデルの超対称版では、暗黒物質の候補となる粒子が自動的に存在することが保証されています。これらの粒子がLHCで観測可能な質量を持っていれば、宇宙の物質の9割が何からできているのかがすぐにわかります。

これらは3つの非常に強力な議論です。超対称性の兆候がどこでどのように観察されるかについての証拠や正確な予測はありませんが、定性的なレベルでは、超対称性の発見を支持する非常に説得力のある議論があります。だから私は50:50で誰とでもこれに賭ける準備ができています。そして超対称性が発見されなければ私はたくさんのお金を払わなければなりません!

---続く---