物理学、哲学、「観測者」、そして多宇宙 - 量子重力理論における実験的検証の限界について

แนวคิดหลัก

量子重力理論のいくつかの数学的モデルは、数学的に十分に定義されていても、実験的に検証できない可能性があり、これは量子測定理論と古典的な重力の性質から導き出されます。

บทคัดย่อ

量子重力理論における観測可能性：論文要約

本稿は、量子重力理論における特定の数学的モデルが、完全な実験的検証にどのように限界があるかを論じています。著者は、量子測定理論と古典的な重力の性質から、これらの限界が生じることを主張しています。

著者は、「観測者」という用語の代わりに「検出器」という用語を支持し、量子力学と意識に関する混乱を避けるべきだと主張しています。検出器は、ポインターと呼ばれる多数の集団変数を持つ大規模な量子系として定義されます。重要なのは、検出器は、定義上、ポインター変数が検出器自体の量子状態を区別するのに不十分であるため、宇宙全体、またはそれ自体を含む宇宙の一部に関するすべてを検出することはできないということです。
さらに、検出器の数学的モデルは、現実の世界に適用される場合、格子上で最も厳密に構築された量子場理論のカットオフ版です。ポインターは、広い領域にわたる局所場の平均値（通常は保存密度）から作られます。しかし、量子場理論が大きな時空領域に割り当てる状態のほとんどは、大きな半古典的なバックリアクションを持つことが知られています。これらの状態のストレステンソルの期待値を使用して重力場を計算すると、元の領域よりも大きなブラックホールが形成されます。固定サイズの因果的ダイアモンドでそのようなブラックホールを回避するために何らかのカットオフを課すと、残りの状態の数の対数は、ダイアモンドの境界上の最大の空間のようなd-2面の体積であるA⋄の関数としてスケーリングされます。

弦理論と永遠のインフレーションの概念は、量子重力理論が実際には非常に異なる巨視的な時空の過多を予測し、それらの間の量子力学的トンネリング遷移を可能にするという、多宇宙の概念を普及させてきました。著者は、これらの主張を裏付ける肯定的な証拠はなく、反対の証拠はたくさんあると主張しています。
現実の物理学者が多宇宙に興味を持つ主な理由は、自然の理論における不安定なほど小さいまたは大きい定数の値を説明することでしょう。現時点では、宇宙定数を除いて、物理学における異常に小さいすべての数に対して、完全に妥当な説明がいくつかあります。宇宙定数の値を人間原理的に決定するという提案は、もともとによってなされました。これを具現化しようとした場の理論モデルは、で発明され、Weinbergは、彼の論文が発表された当時、人間原理的な限界は観測限界よりも2桁しか高くなかったと主張しました。人間原理的な議論によって宇宙定数の値を説明する明らかな必要性は、特に最も成功したアイデアである、弦理論のランドスケープに関する多くの研究を推進してきました。
著者は、宇宙定数の問題を人間原理的な議論によって解決するという基本的な考えに実際には反対しておらず、宇宙定数とは何かについての彼自身の理解に適合するそのような議論のバージョンさえ持っていますが、そのような議論は哲学の一部として考えるべきであると信じるようになりました。物理学ではなく。重要なのは、そのような議論はすべて、多宇宙の何らかのバージョン、つまり、それぞれが宇宙のように振る舞い、異なる状態または異なるサブシステムを持つことができる大きなシステムを前提としているということです。それらのいくつかは私たちのものと似ていますが、自然の基本的な記述に含まれるパラメータの値が異なります。そして、理論には、定数の異なる値に対するある種の確率分布を決定することが求められており、その上に、知的生命体の存在と関係のある制約を課したいと考えています。
ここで、私たちは最初の文で言及した問題にすぐに出くわします。私たちは、人生を説明する方法さえ知りません。意識や知性はもちろんのこと、私たちが知っている物理学に基づいています。場の理論と弦理論が私たちに明らかにしたすべての数学的可能性について、どのようにすればそれをできるというのでしょうか？
もし私たちにできないとしたら、人生とは何かについての私たちの非常に狭い理解に基づいて、人間原理的な推論を使用する権利は何でしょうか？
Weinbergの答えは、銀河の形成は純粋に重力の問題であり、ほとんどすべての考えられる生命体に必要であると主張できるということでしょう。私はその答えが合理的だと思います。しかし、それを超えて、多宇宙の特定のモデルの有用性は、科学的な観点からは疑問です。この主題に関する文献の多くは、私たちの局所銀河群がブラックホールに崩壊する時間よりもはるかに長い時間スケールで、さまざまな仮説的な数学的モデルで発生するプロセスを扱っています。したがって、それらは、局所銀河群、または宇宙の他の局所銀河群のいずれかの考えられる検出器によって行われた観測とは関係がない可能性があります。
明らかに、これらの議論は物理学ではなく、哲学の一部です。
私たちが実験的に探求することは決してできないであろう、詳細な多宇宙のすべての可能な状態におけるすべての可能な知的観測者の典型であるかどうかについての抽象的な議論は、量子重力の独自に定義された公理的理論から厳密に従うとしても、科学的関心は限られています。私たちの知識の現状を考えると、量子重力の多くの矛盾のない独立した数学的モデルがあるようです。それらのほとんどで、知的生命体が存在する可能性を証明することはできません。私たちが望むことができる最善のことは、宇宙定数の値を説明するある種の多宇宙モデルがあり、私たちはおそらくそれを見つけることができないと言うことでしょう。

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจาก

Physics, Philosophy, Observers and Multiverses

by T. Banks ที่ arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05893.pdf

สอบถามเพิ่มเติม

観測可能な宇宙を超えた領域を理解するための新たな枠組みはどのように考えられるだろうか？

本稿で指摘されているように、量子重力理論、特に宇宙論においては、観測可能な宇宙を超えた領域に関する理論は実験的検証が極めて困難です。しかし、だからといって、その探求を諦めるべきではありません。むしろ、新たな枠組みを構築することで、間接的な検証の可能性を探るべきです。
考えられる枠組みの一つとして、数学的整合性と理論的美しさを重視する方法が挙げられます。これは、物理理論の候補となる数学的構造の中で、内部矛盾がなく、簡潔で美しいものを選択するという考え方です。例えば、弦理論は現時点では実験的検証が難しいものの、その数学的整合性と理論的美しさから、多くの物理学者を惹きつけています。
また、観測可能な宇宙の境界における物理現象から、間接的に情報を得る方法も考えられます。例えば、宇宙マイクロ波背景放射の観測データには、初期宇宙のインフレーション期に関する情報が含まれていると考えられています。同様に、観測可能な宇宙の境界における重力波やニュートリノの観測から、超えた領域に関する情報が得られる可能性も期待されます。
さらに、量子情報理論の進展も期待されます。近年、量子情報理論と重力理論の間に深い関係があることが明らかになりつつあります。例えば、ブラックホールのエントロピーは、量子情報理論におけるエンタングルメントエントロピーと密接に関係していることが分かっています。量子情報理論のさらなる発展により、観測可能な宇宙を超えた領域を理解するための新たな視点が得られる可能性があります。

著者は多宇宙論を哲学の領域に位置付けているが、実験的検証の可能性が低いだけで、将来的にも多宇宙論が物理学の領域に入らないと断言できるだろうか？

著者の主張はもっともですが、だからといって、多宇宙論が将来的にも物理学の領域に入らないと断言することはできません。科学の歴史を振り返ると、かつては哲学の領域と考えられていた概念が、実験技術の進歩によって物理学の対象となった例は数多く存在します。
例えば、古代ギリシャの原子論は、長らく哲学的な概念とされていましたが、19世紀以降の実験技術の進歩により、原子の存在が証明され、原子物理学という新たな分野が確立されました。
同様に、多宇宙論も、将来的に観測技術や実験技術が飛躍的に進歩すれば、検証可能な理論へと発展する可能性も残されています。例えば、宇宙マイクロ波背景放射の観測データから、他の宇宙との衝突の痕跡が見つかる可能性や、重力波の観測から、初期宇宙における泡宇宙生成の証拠が得られる可能性も考えられます。
ただし、現時点では、多宇宙論を実験的に検証する方法は確立されていません。そのため、多宇宙論はあくまでも仮説の段階であり、さらなる理論的、実験的な研究が必要です。

人間の認知能力の限界と、宇宙の理解におけるその影響について、深く考察してみる必要があるのではないか？

仰る通り、人間の認知能力には限界があり、それが宇宙の理解を制限している可能性は否定できません。私たちは、3次元空間と1次元時間からなる4次元時空という枠組みの中でしか世界を認識することができません。しかし、弦理論など一部の物理理論では、宇宙はより高次元の時空から成り立っている可能性が示唆されています。
また、私たちの感覚器官は、宇宙に存在するあらゆる情報を捉えているわけではありません。可視光線や電波など、限られた範囲の電磁波しか感知できませんし、重力波やダークマターなど、未知の素粒子や物理現象も存在する可能性があります。
さらに、私たちの思考や論理は、進化の過程で培われたものであり、宇宙の真の姿を理解するには不十分である可能性もあります。私たちが当然と思っている常識や直感は、宇宙全体から見れば、ごく限られた範囲でしか通用しないかもしれません。
このように、人間の認知能力の限界は、宇宙の理解を大きく制限している可能性があります。しかし、だからといって、宇宙の理解を諦めるべきではありません。私たちは、自らの認知能力の限界を認識した上で、謙虚な姿勢で宇宙の謎に挑み続ける必要があります。
そのために、科学的な方法論を改良し、より客観的で正確な宇宙の認識方法を模索していく必要があります。また、芸術や哲学など、科学とは異なるアプローチからも示唆を得ながら、多角的な視点から宇宙の理解を深めていくことが重要です。