大人気バンド, ワンダイレクションと量子力学, 宇宙論にはどのような関係があるのでしょうか. スティーブンホーキング博士は, シドニー, オペラハウスでの最近の講演でこの関係を説明したかもしれません. それは, 無限の数の世界の中に, ボルヘスのバベルの図書館の410ページの本のように, 私たちの世界とほとんど同じだが, あらゆる可能な順列と違いを持つ世界が存在する可能性があるというパラレルユニバースの予測に関係しています.
ワンダイレクションは2つの方向へ進む
最近のイベントで, スティーブンホーキング博士は, Zayn がワンダイレクションを脱退し, 何百万人もの少女たちの心を傷つけたことの宇宙論的意味について, あるインタビュアーから質問されました. 彼の答えは素晴らしく, 共感的で, 理論物理学の非常に面白い予告をしてくれました. “失恋した若い女の子への私のアドバイスは, 理論物理学の研究に細心の注意を払うことです. なぜなら, いつか複数の宇宙が存在するという証拠が見つかるかもしれないからです. 私たちの宇宙のどこかに別の宇宙があり, その宇宙で Zayn がまだワンダイレクションにいる可能性は否定できません.”
しかし, ホーキングの答えの分析を続ける前に, パラレルユニバースを予測する2つのエキサイティングな理論を見てみましょう.
量子の世界
量子力学では, シュレーディンガー方程式の解である波動関数は, 波動関数の線形結合を通じて, 時間と空間における素粒子の位置の確率関数になります. たとえば, 電子密度の波動関数は, 原子と分子の軌道確率関数になります.
水素原子のシュレーディンガー方程式の定式化の例を見てみましょう:
波動関数が ψ で表される時間依存のシュレーディンガー方程式 (1). 明確なエネルギー状態 (2) の場合, 方程式を時間調和形式で書き直すと (3) になります. 電子の位置エネルギー V は半径のみに依存し, 波動関数は球面極座標で定式化できます (4). 異なるエネルギーレベル En の波動関数は, 球面調和関数 (Yl,m) と振幅 (Fl) の積として表すことができます. ここで, l は全角運動量の量子数, m は角運動量の z 成分を表します. シュレーディンガー方程式 (3) を球面極座標で解くと, 波動関数 (4) が得られます.
単一電子の波動関数は軌道と呼ばれます. 波動関数の線形結合 (重ね合わせ) も, 水素原子のシュレーディンガー方程式の解です. 量子数 l = 0 の軌道は常に球対称です. l = 1 の軌道は p 軌道と呼ばれ, 明確な角度依存性を示します. l = 2 の軌道は d 軌道と呼ばれ, さらに複雑な角度依存性を示します. プロットは, いくつかの波動関数の等値面を示しています.
同様に, 物理学者と物理化学者は, この宇宙で安定する可能性のある元素を含む元素表を計算することができました.
粒子の位置と時間の測定には不確実性が伴い, 粒子の位置が正確に決定されるほど, その運動量を決定できる精度は低くなります. これは, それを定式化した科学者にちなんで, ハイゼンベルクの不確定性原理として知られています. たとえば, 粒子の位置が正確にわかっている場合, その運動量を同時に決定することはできません.
量子力学では, 位置または運動量が観測されると, 波動関数の崩壊が発生します. これは, 粒子が環境と相互作用するときのデコヒーレンスによっても説明できます. つまり, 粒子を測定すると, 波動関数はもはやその粒子を記述しなくなり (またはデコヒーレンスによると, もはやその粒子を記述していないように見える), 粒子は1か所にしか存在しないことになります.
ただし, Everett によって最初に定式化された量子力学の多世界解釈は, 波動関数の崩壊を否定しています. 代わりに, 波動関数の可能なすべての線形結合 (重ね合わせ) が表現される, 多数の可能なパラレルユニバースを導き出します. 宇宙は, 非常に多くの, おそらく通信しないパラレルユニバースまたは量子世界の量子重ね合わせで構成されることになります.
永遠のインフレーション
インフレーション理論では, ビッグバンの始まりは, 体積が原子よりはるかに小さい, 非常に小さな物質の塊が膨張したと説明されています. この小さな物質の塊は, 一定の密度で, 約 10-38 秒の一定の間隔で質量が2倍になりました. この現象は約260回発生し, 約 10-35 秒で宇宙の質量がすべて生成されました.
小さな物質の塊が膨張中に質量と体積を倍増し, 反重力からエネルギーを得て質量を生み出し, ハイゼンベルクの不確定性原理による量子ゆらぎによって, 後に私たちの宇宙の宇宙構造を形成する構造が作られました. この小さな塊の質量は約 3·10-26 kg でした. これを水素原子の質量, 約 1.7·10-27 kg と比較してください!
この質量を生み出すエネルギー (E = mc2 を思い出してください) は, 膨張する物質が生み出す反重力力から発生し, 一定の密度で物質の質量を2倍にするのに十分なエネルギーを消費しました. 宇宙の総質量が 6·1052 kg と推定されていることを考えると, 重力が最終的に負うエネルギーは膨大です. 比較すると, 長崎原爆は 1 g の質量をさまざまなタイプのエネルギーに変換しました. これは, 重力が負のエネルギーを持つ理由, つまり重力に引き寄せられる2つの物体を分離するには作業が必要である理由を説明しています.
永遠のインフレーションでは, 私たちが宇宙と呼ぶものは, 無限の宇宙にある無限の数のハッブル体積 (永遠のインフレーションによって作成されたハッブル体積) の1つにすぎないことも予測しています. これらのハッブル体積は, 私たちのハッブル体積に似ていますが, 宇宙の構造が異なります. インフレーションの初期段階では, 量子効果によって, ハッブル体積の宇宙構造の原因となる宇宙の種の変動が生み出されました. 現在銀河が存在する空間領域は原子よりも小さく, 量子効果が関係していました. このスケールでは, 宇宙の種の変動はハイゼンベルクの不確定性原理によって説明できます. この原理は, インフレーション物質を含むあらゆる物質の均一性を妨げるものです.
無限の数のハッブル体積を持つ無限の宇宙におけるいくつかのハッブル体積は, 私たちが宇宙と呼ぶハッブル体積と同一またはほぼ同一である可能性があります.
ほとんどのハッブル体積は私たちのものと比較して物質の分布が異なりますが, 無限の数があるため, 同じ物質分布のハッブル体積の変種もほぼ無限に存在する可能性があります. また, 私たちの世界と同一またはほぼ同一の世界の変種もほぼ無限に存在する可能性があります.
マルチバースの統一
量子力学の多世界解釈は, MIT の宇宙学者 Max Tegmark がレベル III のパラレルユニバースと呼ぶほぼ無限の数の宇宙を表現したほぼ無限の数の宇宙につながります. 同様に, インフレーション理論は, 無限の数のハッブル体積を予測し, 私たちの数学的な宇宙の著者である Tegmark によると, レベル I のマルチバースを形成する可能性があります.
したがって, 波動関数と量子ゆらぎによってほぼ無限の組み合わせが作成されるため, 私たちの宇宙と同じ数の基本粒子を持つレベル I のパラレルユニバースのほぼ無限の数の変種が存在する可能性がありますが, 配置は異なります. この意味で, レベル III とほぼ同一のレベル I のパラレルユニバースは実際には1つであり, システムの波動関数は空間全体にわたるその無限のコピーを記述する可能性があると, Tegmarkは推測しています.
ホーキング, Zayn がワンダイレクションを脱退することについて
量子力学の多世界解釈とインフレーション理論は, 想像力を掻き立てる素晴らしいテーマです.
最近, シドニー, オペラハウスでホログラムを通じてスティーブンホーキングが参加したイベントで, インタビュアーから次のような質問を受けました. “Zayn がワンダイレクションを脱退し, その結果世界中の何百万人もの10代の少女たちの心を傷つけたことの宇宙的影響は何だと思いますか?”
ホーキングの答えは, インフレーション理論, そして統一理論を通じて量子の世界への言及として解釈できる. “失恋した若い女の子へのアドバイスは, 理論物理学の研究に細心の注意を払うことです. なぜなら, いつか複数の宇宙が存在するという証拠が見つかるかもしれないからです. 私たちの宇宙のどこかに別の宇宙があり, その宇宙で Zayn がまだワンダイレクションにいる可能性は否定できません.”
ホーキングのコメントは, 以下の図を使って説明できる. この世界では, Zayn はバンドを脱退する. しかし, ワールド 1 では, Zayn はバンドに残り, この世界では誰も彼がバンドを脱退したことを知ることはない. ワールド 2 では, Zayn はバンドに残るだけでなく, この世界で失恋した女の子1人と結婚する. それだけでなく, ワールド n = 3 からワールド n = 100 万までの何百万もの他の世界のそれぞれで, Zayn はこの世界で失恋した女の子の1人1人と結婚する.
ほぼ無限の数の可能性のある世界のうち, Zayn はバンドに留まるだけでなく, この世界で傷心している女の子たちと結婚します.
量子の世界と無限の数のハッブル宇宙望遠鏡は, ホセ・ルイス・ボルヘスのバベルの図書館に対する並行世界のアナロジーとして解釈できます. この図書館にある410ページの本は, 私たちが宇宙と呼ぶものと同じハッブル体積と物質量 (410ページ) を持つ, すべての可能な量子世界またはレベル I のほぼ同一のパラレルユニバースのアナロジーです. 想像できるすべての可能な物語は, これらの世界のどれでも最終的に起こるでしょう!
マルチフィジックスシミュレーション
一方, ホーキングのアドバイスに沿って, 悲嘆に暮れるワンダイレクションのファンへの私たちのアドバイスは, 科学の教育を受け, マルチフィジックスシミュレーションの助けを借りて開発された機器と装置を使用して, シュレーディンガー方程式の解とインフレーション理論を研究することです (下の図を参照).
幸いなことに, 物理法則はレベル I とレベル III のマルチバースで同じであり, COMSOL Server ソフトウェアのワールドワイドネットワークライセンスは, すべてのハッブルボリュームとすべてのレベル III ユニバースで有効であり, シュレーディンガー方程式をシミュレートするアプリを実行できます.
円錐形 InAs 量子ドットのモデルからの電子エネルギーの波動関数を示すシミュレーション結果. 量子ドットが引き受ける電子状態を計算するには, 1バンドシュレーディンガー方程式を解きます.
Zayn がまだワンダイレクションのメンバーである別のパラレルユニバース (または非常に多くのパラレルユニバース) を推測する前に, これらの女の子は量子コンピューターや生物学的ラベル付け用の量子ドットなどのエキサイティングなものを作成する可能性があります. また, 深宇宙探査や, 私たちが宇宙と呼ぶこのハッブル宇宙の銀河の研究用のツールを設計および開発する可能性もあります.
これらの世界の1つでは, ワンダイレクションのファンが宇宙で最も強力なマルチフィジックスソフトウェアの創設者および作成者であるか, または作成者になるかもしれません. しかし, いつ, どの世界ででしょうか?
さらに別の世界では, スティーブンホーキングはケンブリッジの司祭で, Zayn とワンダイレクションのファンを結婚させています. その世界では, イギリス人は中国語を話し, 中国では英語が話されていますが, もちろん “中国語” と呼ばれます.
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