基礎物理学の課題
基礎物理学の課題−量子論と相対論の統合は可能か−−量子論と相対論の統合は可能か−
・ 統一理論がなぜ必要か
・量子重力：問題の性格
・量子重力の解決としての超弦理論
・統一理論の歴史と展望

米谷民明 Tamiaki Yoneya
http://hep1.c.u-tokyo.ac.jp/~tam/jp.html

相対論と量子論の統一
・現代物理学の基礎法則における２本柱 ：重力と時空の理論：万有引力による、宇宙の大局的階層構造を記述

相対性理論

アインシュタイン 特殊相対性理論 １９０５年
一般相対性理論 １９１５年
素粒子、原子、分子、…からなる物質のミクロな階層構造を記述，２０世紀初頭の物理学の危機（何故物質は安定に存在できるか）を克服，

量子力学

プランク 作用量子の発見
１９００年
アインシュタイン 光量子論、 １９０５年
１９２５年−３０年位までにほぼ完成
ハイゼンベルグ，シュレージンガー，ディラック,物理法則を最も基本的なレベルまでさかのぼり、この宇宙についてより深く理解するには、この二つの柱の両方が同時に役割を果たす領域を探求することが不可欠．しかし、相対論と量子論を同時に取り扱うと根本的な困難にぶち当たる．
・宇宙の構造と歴史

Big Bang scenario

宇宙の大局的構造と短距離構造は実は切り離せない関係にある

極大と極小の出会い
量子力学の不確定性関係
・宇宙の誕生の瞬間には、現在観測可能な宇宙の領域 10−32 cm もプランク長さ程度
1028 cm の超極小領域であった・素粒子の世界を探求するための実験室 − 宇宙そのもの
光, ニュートリノ, 重力子, …
・人類が作った最大の実験装置
巨大粒子加速器, superKamiokande, ...

∆x∆p ≥ h∆t ∆E ≥ h⇓∆x, ∆t → 0 ⇒ ∆p, ∆E → ∞自然界の４つの基本相互作用

量子論と相対論の統一の問題は相互作用の統一と密接不可分に結びつく

３種の力の統一のスケール≈ 10−29 cm
量子重力の典型的スケール：
Planck scale

Gh−33≈ 10 cm3c一般相対性理論の性格

重力の古典論＝Einstein の一般相対性理論

・一般座標不変性
・等価原理

場の方程式：
時間空間の幾何学的構造（左辺）が物質や光の存在(右辺）と絡み合いながら決まる構造

左辺＝‘made of marble’

Geometry of space-time

右辺＝‘made of mere wood’

Quantum theory of matter

重力以外のすべての物質とその相互作用は量子論に支配されている。
従って、重力と他の力を満足ゆく仕方で定式化するには一般相対論=幾何学と量子論の融合が不可欠。

量子論の性格「状態」は常に揺らいでいる．
物理量は確率的にしか決定されない．

粒子と波の２重性・状態の重ね合わせの原理
・不確定性原理ψ = ∑ cnψ n∆x∆p ≥ h

これにより，古典物理学ではどうしても説明できない物質の安定性が説明できる．
「真空」といえども，量子論（場の量子論）によれば，ミクロのスケールでは絶え間なく粒子の生成消滅により揺らいでいる．
一般相対性理論を量子論によって取り扱えば，重力子の生成消滅により，時空自身，つまり時間の進み方，空間の距離などが絶え間なく揺らぐ．

アインシュタイン(1879-1955)の夢と悩み「量子力学」，および（彼自身の）「統一場理論」についてのアインシュタインの言葉“Your claim that the concepts p, ｘ will
have to be given up, if they can only
claim such a “shaky” meaning,seems to me to be fully justified.
The Heisenberg-Bohr tranquilizing
philosophy-or religion? – is sodelicately contrived that, for thetime being, it provides a gentle pillow
for the true believer from which hecannot very easily be aroused.
So let him lie there.”
1928年（４９歳）, アインシュタインからｼｭﾚｰｼﾞﾝｶﾞｰへの手紙のなかの一節“ The skeptic will say that this is amiracle creed. Admittedly so, but it is amiracle creed which has been borneout to an amazing extent by thedevelopment of science.”
1950年（７１歳）、Scientific Americanに載ったアインシュタイン自身
による解説記事の一節

量子重力の困難
紫外破綻＝繰り込み不可能性
重力場（＝時間空間の幾何学）の「量子的揺らぎ」は，短距離のスケール(a)がゼロに近づくにつれて際限なく強くなる。このことは、逆に長距離のスケールでの量子的揺らぎが、非常によい近似で無視できることの裏返し。

この量子効果は、無限に異なった種類の発散量を含む形で観測量に影響する。

a ＝量子的揺らぎが起こっている距離のスケール

κ = ニュートンの重力定数

時空が連続的である限り a はゼロに限りなく近づくことができる
この発散を打ち消すには、無限に多くの物理定数の導入が必要この問題は、一般相対論が、重力の「基本理論」ではないこと、つまり、長距離スケールでは極めて有効である一方、短距離スケールでは、破綻をきたすという意味で現象論的「有効」理論とみなされるべき強い証拠

同じような性格のʻ理論ʼの例
・フェルミの弱い相互作用の理論
・強い相互作用に対するシグマ模型…. など

これらの ‘effective theory’ は、現在ではいずれも、よりミクロレベルで繰り込み可能なゲージ場の理論によって置き換えられている紫外破綻の別の現れ： ブラックホールの蒸発と情報消失パズル
ブラックホールを量子論によって扱うと、実は真空の揺らぎに起因する輻射により最終的には蒸発してしまうという結論に至る （Hawking, 1974)
ブラックホールに落ち込んだ情報が、ʻ蒸発ʼとともに失われると、量子力学の確率解釈を支えている基本原理であるユニタリ性（確率保存）に矛盾するブラックホールの表面＝事象の地平面であるため、表面では遠方外側に比べて時間の進み方が無限に遅れる。
遠方に届く波は、ブラックホール表面で無限に高い振動数を持っていたことになる。
つまり、ここでも「極大と極小の出会い」が起こる。これも紫外破綻のあらわれ

従って、 問題の真の解決には、やはり、量子論と相対論の融合が不可欠

紫外破綻の解決には何が必要か
短距離スケールの量子効果を制御する機構
・対称性？
重力以外の相互作用の場合＝ゲージ対称性
重力の場合、ゲージ不変性にあたるのは一般座標不変性
しかし、それは短距離では無力
１９７０年代から８０年代にかけて、その方向で有望視され追求されたのは超対称性 Supersymmetry
・fermion と boson を入れ替える操作に関する対称性
しかし、超対称性だけでは、少なくとも通常の場の理論の枠内にとどまる限り、短距離の量子的揺らぎをおさえられない

いずれにしても、通常の場の理論の枠内での対称性では，重力にともなう短距離の量子的揺らぎを制御できず、量子的揺らぎのなんらかの切断が必要
１９８０年代までに明らかになった結論

場の理論の枠を越えた新しい原理が必要
超弦理論： 紫外破綻を克服し、重力を含めて自然界のすべての基本相互作用を統一するためのまったく新しい機構を強く示唆
しかし、現在の発展段階では、超弦理論は新しい枠組みとして理想的な構造の存在を指し示しているにしても、まだ理論自身の全貌が見えてはいない
また、そのため現在の段階ではPredictability (‘falsifiability’)を備えた「理論」とは言えない
したがって、理論そのもののさらなる解明に力を注いでいるのが現時点の状況・統一理論らしさ
・弦理論の意味するもの

弦とは
弦 fundamenral string (‘ F1’)・太さ ＝ゼロ・質量密度＝厳密に一定、弦理論の基本定数＝： 長さの基本単位
閉じた弦 (closed string) ： 重力子を含む
開いた弦 (open string) ： ゲージ場を含む

・closed string は必ず含まれる
つまり、「万有引力」を説明する
そして，長距離のふるまいは〔拡張された〕一般相対性理論と調和する
Yoneya, Scherk-Schwarz 1973-75

弦のイメージ１
Open string

Long (massive) strings

Short (light) strings

Closed string弦のイメージ２

gravitontimespacedilaton統一理論らしさ

・運動と相互作用の完全な統一
弦の運動の法則と相互作用の法則が同時に決まる
・背景独立性
すべての可能な外場は、弦の状態の真空での凝縮として理解できる
このため、原理的には、通常は物理の「理論」では前提として与えるべき結合定数および背景時空の幾何学、などのパラメタがすべて‘self-consistent’ に理論自身から決められる構造を持つ

・時空次元すらも「力学的」に決められる
低エネルギーでの「有効」次元が何故４であるかを説明する可能性が秘められている． 余剰次元６に積極的な役割．
・紫外破綻の解消
弦の基本単位付近のスケールでは、古典幾何学にもとづく通常の時空概念は通用しない． 短距離での場の揺らぎが自動的に切断される機構が内臓されている．

「点から弦」が何故これほど重大な結果に導くのか
弦の運動＝「世界膜」の力学は、共形不変性(conformal invariance)という、きわめて高度な対称性を満たす。
世界膜の力学は、世界膜を base space とし、時空をtarget space とする２次元場の理論とみなすことができる。共形不変性を「厳密」に満たす２次元場の理論〔共形場理論）は場の理論としては、非常に特別なクラスの理論であり、きわめて強い縛りのもとで定義され、自己完結的なさまざまな性質を備えている。

世界膜のグローバルなトポロジーの違いにより、時空の力学としては多様な粒子間相互作用を包含できる。
つまり、弦という拡がりを導入したことによりはじめて可能になった世界膜のきつい対称性が、時空での対称性を説明し、同時に紫外領域の量子的揺らぎを制御しているTree diagram

1-loop diagram

2-loop diagram

何故重力が必然的に含まれるか世界面の共形不変性＝局所(ゲージ）対称性
この局所対称性により、弦の揺らぎの自由度は、時空の各点ごとにD-2個に減る。この自由度の減少を、時空の場の対称性として表現すれば、時空の局所対称性になり、それは必然的に一般座標不変性を含む。

世界面対称性

時空対称性

弦の背後に何があるか

弦理論のこれらの性質は、摂動論という近似的計算法の枠内で見えているものである摂動論を超えて弦理論をどう定義すべきかは、残念ながらまだ解明されていない
また、それを支配する原理が何かもわかっていない
しかし、
・ 弦理論を特徴づける基本的長さが重要な意味を持つことは疑いない
・ また、摂動論の対称性である共形不変性とこの基本的長さの関係を非摂動論的に解釈しなおすことが重要
一つのアナロジー：
共形不変性 と 断熱不変量に対するボーアの量子条件

「基本的長さ」 の意味

重力定数との関係： Dilaton
弦の相互作用の強さを決める
弦の振動モードのひとつ、重力子の仲間
一般相対論的古典物理への移行

つまり、古典論から量子論への移行は、量子重力の立場からは時空における基本的長さの導入そのもの

一つの可能な意味づけ: space-time uncertainty relation

T. Yoneya, 1987

： 時間的方向の距離の不確定さ： 空間的方向の距離の不確定さ

・ 弦の拡がりが時空の幾何学に与える影響を定性的にとらえている・ 共形不変性からの直接的な帰結
・ 短距離と長距離の相関関係を示す
・ 弦の力学に現れるいくつかの典型的スケールを説明する
・ この関係の有意味な実現には、超対称性の存在が間接的に重要

展望 １・ 弦理論の歴史

弦理論の現在の状況は、１９世紀終わりにおける原子論の立場と似通っている
紫外問題の深刻さは、実は、量子力学誕生前夜における古典物理学の危機に勝るとも劣らない問題
時空に量子論を適用すると、この巨大なほとんど平坦な時空の存在自体を自然に説明できない・ゲージ理論による統一理論の歴史
1915
1915 Einstein
Einstein によるによるGeneral
GeneralRelativity
Relativity の建設の建設
1917
1917 重力と電磁気力の統一に関して、数学者
重力と電磁気力の統一に関して、数学者
H.
H.WeylWeyl によるによる 「ゲージ原理」の提唱「ゲージ原理」の提唱
……
……
1954
1954 Yang-Mills
Yang-Millsによるによる non-Abelin
non-Abelingauge
gaugetheorytheoryの提唱の提唱
……
……
1967
1967 Weinberg-Salam
Weinberg-Salam電弱統一理論の提唱
電弱統一理論の提唱
……
……
1982
1982 CERNCERNにて、ゲージボソンの確認
にて、ゲージボソンの確認

展望 ２
１ 弦理論の全体像は、まだ捉えられていない
・ 摂動的真空の分類（安定解、不安定解の両方）、それらの間の関係がかなりはっきりしてきた・ 非摂動的な構造も見え始めている・ 理論の非摂動的な定式化をどのような原理や基本的自由度に基づき行うべきかの探求が目下の最大の課題

２ しかし、これまでの成果だけからでも、場の理論の枠を超えた基本法則を定式化すべき新しい枠組みの存在が強く示唆されている基本法則を定式化すべき新しい枠組み
・これまでまったく無関係であった場の理論としてのゲージ理論と重力理論が、実はあるひとつの構造の相補的な記述とみなせる (90年代後半から最近までの発展 Maldacena, ….)‘gauge/gravity(string) duality’，‘holography’, ….
・ブラックホールのエントロピーの量子統計的解釈が初めて可能になったStrominger-Vafa, 1995
・統一や発散の困難の解決に向けた多くのアイデアを包含している
Born-Infeld, Kaluza-Klein, Elementary domain(Yukawa),
Noncommutative spacetime, Induced gravity, … etc

Unification of Ideas!

重力理論とゲージ理論のあいだの双対的関係の基礎にあるDブレーン
弦理論はもはや「弦」だけの理論ではない
弦理論の背後にあると予想される理論体系をM理論と呼ぶことある一つの目覚しい例：
一般相対論の非線形性を特徴づける３体力をゲージ理論から導ける
Okawa-Yoneya, 1998

展望 ３
・ 実験的検証は可能か
量子重力の典型的スケール ： Planck length

String scale との関係は dilaton の真空期待値で決まる

残念ながら、摂動論では、dilaton の真空期待値の信頼のおける予言は、今のところ不可能

しかし、現在の到達可能スケールであるとの懸隔も、人類の長い歴史という立場から見れば、それほど恐るべきものではないかも知れない− １３桁 ＝ 日常のスケール １ｃｍ と 原子核の大きさとの隔たり＋ ２１桁 ＝ ………………………… と 銀河系の大きさとの隔たり潜在的には、直接的検証につながる弦理論の様相は十分ある・ 重力子の仲間を検出する：宇宙論的データの精密化により将来検出される可能性がある
dilaton, antisymmetric tensor field, and other supersymmetric partners

・extra space-time dimensionｓ を検出する
perturbative string theory にとって自然な時空次元は１０次元（ないし１１次元），ただし、通常の連続的時空の幾何学は通用しない
１０から４へ？ 無数に可能に存在しそうな「真空」解のどれが実現するのか？
−compactification scenario−world-brane scenario−Landscape, ‘discretuum’, ….
最近のホットな話題の一つ
余剰次元の効果は、たとえば、重力ポテンシヤルの一般相対論からの微細なずれに寄与する究極的統一理論の建設とともに解かれるべき理論的課題
・ 素粒子と標準模型の パラメタ と対称性（およびその破れ）の導出
クオークとレプトンの質量、世代数、CP violation、….
・ 宇宙生成の標準理論（Big Bang 理論）の説明
初期条件の予言
宇宙定数、inflation、……
・ そのほかの宇宙論的データ
暗黒物質、…..
推薦参考図書ワインバーグDreams of a final theory

長い時間を必要とする極めて困難な課題、
しかし、それによりこれまでよりはるかに深められた観点から宇宙の究極的な理解が可能となるだろうおわりに ：
相対論と量子論の統合は可能か

超弦理論は，弦の量子論から一般相対論を導き，さらに素粒子相互作用を記述するためのゲージ相互作用も自然に含む．その意味では，すでに理論的にはある意味で「統合」を成し遂げている．
しかし，未だ不完全な発展途上の理論．
だが、超弦理論により，重力を含む自己矛盾のない量子論の可能性が，初めて明らかにされたことの重要性は何人にも否定しがたい意味があるだろう．

（多分，アインシュタインにとっても）アインシュタインの死後50年を経て，私たちは，今，ようやく 統合への「夜明け前」に来ている！