すべての統一理論は物理学の聖杯ですが、重力はその一部となることを拒否します。現在、新たに提案された理論は、アインシュタインの重力理論を量子力学と統合することを試みており、さらに重要なことに、それを実験的にテストする方法の概要を示しています。

過去 1 世紀ほどにわたって、量子物理学は粒子と原子のミクロな世界を記述するという素晴らしい仕事をしてきました。これは、宇宙の 4 つの基本的な力のうちの 3 つ、つまり電磁力、強い核力、弱い核力をカバーしています。しかし、最も聡明な頭脳がそれに取り組んでいるにも関わらず、科学者たちは第 4 の柱である重力を導入することができません。

現在まで、重力を説明するための最も正確なモデルは、アインシュタインの一般相対性理論です。この理論は、私たちが感じたり観察したりする重力は、時空の構造とその上に静止している質量の副作用であると述べています。トランポリン マットの上にボウリングのボールが置かれているようなものだと考えてください。ボールの重みによってマットにくぼみができます。宇宙において「マット」は時空、「ボウリングの球」は星などの巨大天体です。小さなボールをマットの上に置くと、私たちが重力を経験するのと同じように、ボールはくぼみに沿って大きなボールに向かって転がります。あるいは、テニスボールを十分な速さで転がすと、地球が太陽の周りを回るのと同じように、そのくぼみの周りを転がります。

この図は、時空を「クッション」として表し、物体の質量によって時空がどのように「くぼみ」に曲がるのかを示しています。質量が大きくなるほど、ESA-C のくぼみは深くなります。カレロー

過去 100 年にわたり、この重力理論は科学者が行った基本的にあらゆるテストに耐えてきました。実際、2015 年の重力波の検出など、新しい発見がその予測を裏付け続けています。

問題は、この話が他の 3 つの基本的な力とうまく調和しないことです。基本的な力のそれぞれは、特定の力を運ぶ粒子によって媒介される相互作用により、量子力学を使用して非常に簡潔に説明できます。たとえば、光子は電磁力のキャリア粒子です。したがって、科学者たちは「量子重力」の理論を研究し、その仮定されたキャリア粒子（「重力子」と呼ばれる）を探してきましたが、これまでのところすべての実験では何も見つかりませんでした。

時空自体も「量子化」するか、その構成要素に分割する必要があります。これはまさに、悪名高いひも理論が行うことと、現在最有力候補と考えられているループ量子重力理論が行うことです。しかし、繰り返しになりますが、どちらの概念もアインシュタインの理論ほど適合していないようです。

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）のジョナサン・オッペンハイム教授は、新しい研究で反対の見解をとっている。彼は、結局のところ、時空は古典物理学に従っており、修正が必要なのは量子論であると提案している。彼はこれを「古典的重力のポスト量子理論」と呼んでいます。

本質的に、オッペンハイムは古典システムと量子システムを結合し、それぞれのシステムを保存しました。したがって、たとえば、古典的なシステムは依然として光より速い信号から保護されていますが、量子システムでは不確実性原理は依然として違反されていません。アインシュタインは、すべてが決定論的であることを好みました。つまり、システムに関する十分な情報があれば、その現在の状態を使用して、過去または将来の特定の状態を推測することができます。オッペンハイムのハイブリッド理論ではそうではありません。代わりに、特定の状態が将来発生する確率を計算することしかできません。

この理論は、多くの物理学者を怒らせる可能性のあるいくつかの興味深いことを予測しています。たとえば、ブラックホールが量子情報を破壊する可能性があることが判明した。これは量子理論では不可能と考えられており、一部の人にとっては理論全体を完全に否定するのに十分かもしれない。

質量を正確に計ることで空間と時間の変動を見つける実験の芸術的な印象 アイザック・ヤング

しかし重要なことは、この古典的重力のポスト量子理論をテストする方法があるということです。時空が古典的である場合、時空はランダムに変動し、時間の経過とともに物体の質量がわずかに変化します。研究チームは、国際キログラム原器のような物体の非常に正確な測定により、時空が古典的なものなのか量子的なものなのかを明らかにできる実験を提案している。

この研究の共著者であるザック・ウェラー・デイヴィス氏は、「量子重力でも古典重力でも、時空は私たちの周囲で激しくランダムに変動しているはずだが、その変動はまだ検出できない規模である。しかし、時空が古典的である場合、変動は一定の規模より大きいはずで、この規模は別の実験で決定できる。この実験では、重原子を2つの異なる場所でどれだけ長く重ね合わせられるかをテストできる」と述べた。

この新しい理論は、たとえ受け入れられたとしてもすぐには広く受け入れられないだろうが、少なくとも重力と時空についての興味深い新しい考え方を提供するものである。これらの実験はすぐにそれを除外し、奇妙な科学的アイデアの歴史の広大​​な墓場に追加するかもしれません、あるいはそれがアインシュタインの理論と同じくらい根本的なものであることを証明するかもしれません。

この研究は 2 つの論文で発表され、1 つは Physical Review X に、もう 1 つは Nature Communications に掲載されました。