カブリIPMU、重力現象の基礎となる時空を量子もつれが形成する仕組みを解明

東京大学(東大)は5月27日、一般相対性理論から導き出される重力の基礎となる「時空」が、さらに根本的な理論の「量子もつれ」から生まれる仕組みを計算を用いて解明したと発表した。

同成果は、同大国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)の大栗博司 主任研究員、カリフォルニア工科大学数学者のマチルダ・マルコリ教授と大学院生らの物理学者と数学者からなる研究グループによるもの。詳細は米国物理学会が発行する学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

世界は、「電磁気力」「強い力」「弱い力」「重力」の4つの力が存在しているとされているが、このうち重力を除く3つの力については量子力学を基礎とした理論を用いて統一的に説明できることが分かっていたが、重力も含めて統一的に説明するためには、重力も量子化する必要があった。

一般相対性理論では、ある時空に含まれる情報は、その内部ではなく表面に蓄えられるとする原理「ホログラフィー原理」により、量子効果から重力現象の基礎となる時空が生じるとされてきたが、その仕組みはよくわかっていなかったという。

今回、研究グループは、量子効果から時空が生じる仕組みの鍵は量子もつれであることを見出し、中でもエネルギー密度のような時空中の局所データが、量子もつれを用いて計算できることが示されたとしており、これにより、量子もつれが重力現象の基礎となる時空を生成することが示されたとする。

なお研究グループでは、今回の成果について、一般相対性理論と量子力学とを統一する理論の構築に向けた研究の前進に寄与することが期待されるとコメントしている。

量子もつれと一般相対性理論の間の対応関係。赤い点は一般相対性理論の時空における局所データを表しており、今回の研究では青い半球で表される量子もつれによってこれを計算する方程式が導き出された (C)Jennifer Lin et al.