主な相違点 – 弦理論 vs ループ量子重力
弦理論」と「ループ量子重力」は、量子重力の理論です。
しかし、この2つは異なるアプローチです。
弦理論は、4つの基本的な相互作用をすべて統一しようとする理論です。
ループ量子重力は、基本的な相互作用を統一しようとはしていない。
ループ量子重力は、量子重力の理論に過ぎないのです。
ストリング理論は、量子論の基礎的な部分から出発しています。
一方、ループ量子重力は、一般相対性理論に依拠し、重力場を量子化するものです。
ストリング理論は高次元時空で機能する。
しかし、ループ量子重力は高次元を必要としない。
この点が、超ひも理論とループ量子重力の大きな違いです。
両者は量子重力の理論をモデル化しようとしているにもかかわらず、理論的には全く異なるものです。
この記事では、両者の理論の基本的な側面とその違いを説明することを試みる。
ストリングスセオリーとは
弦理論とは、4つの基本的な相互作用を1つの統一的な理論に統一しようとする理論です。
現在、超弦理論やM理論など、いくつかの弦理論が開発されている。
弦理論は、量子論と同じ基本的な仮定に基づいて開発されている。
弦理論は量子論から出発しています。
量子論は、重力を除くすべての基本的な相互作用を組み合わせたものです。
つまり、3つの基本的な相互作用がベースになっているわけです。
やがて、超ひも理論は、4つの基本的な相互作用をすべて統合したものになる。
したがって、弦理論は量子重力の理論であると考えられている。
ただし、超ひも理論では、基本素粒子物理学で想定される点状のゼロ次元粒子を、1次元のひも状の物体に置き換えます。
このひもは、振動したり伸びたりすることができる。
これは、量子力学的な物質の構成要素です。
弦理論では、フェルミオを含むために超対称性の概念が不可欠です。
超対称性の概念によれば、すべてのフェルミオンはスーパーパートナー・ボゾンを持たなければならない。
つまり超対称性は、ボソン（力の担い手）とフェルミオン（物質粒子）を関係づける概念的な仲介役なのです。
超対称性の概念を用いた超弦理論は、超弦理論と呼ばれる。
通常、超弦理論は4次元以上を必要とする。
超弦理論では、時空は10次元であると考えられている。
M-理論では、時空は11次元と考えられている。
基本的に弦理論は、想定される弦の種類によって分類される。
弦のループには、開いた弦のループに分かれることができる閉じた弦のループと、開いた弦に分かれることができない閉じた弦のループの2種類があります。
弦の大きさは、プランク長、つまり10-35m程度と考えられている。
つまり、もし本当に弦が存在するならば、現在の技術では検出することは非常に困難です。
弦理論は、自然界に存在する4つの基本的な相互作用をすべて統合したものであり、量子重力理論の有力な候補と考えられている。
開放弦と閉鎖弦
ループ量子重力とは？
ループ量子重力は、量子重力の理論の一つでもあります。
ループ量子重力は、超ひも理論とは異なり、基本的な相互作用を統一しようとはしない。
ループ量子重力は、一般相対性理論から重力の理論を発展させただけです。
主に一般相対性理論に依存し、重力場を量子化する。
超ひも理論が主に物質の量子的性質に注目するのに対し、ループ量子重力は主に時空と重力の量子的性質に注目する。
ループ量子重力では、時空はループの織物として扱われる。
そのため、空間は元のスケールでは滑らかではなく、むしろ粒状です。
つまり、時空は離散的であり、量子化されている。
数学的には、時空はスピンネットワークであり、その量子状態は時空の異なる量子状態を表している。
時空間の基本的な大きさは、物理学で最も短い距離であるプランク長スケール（10-35m）程度です。
量子ループ重力理論では、ビッグバンで出現した無限特異点がビッグバウンスに置き換わります。
そのため、ビッグバンの先にある宇宙を研究しやすくなる。
また、ブラックホールのエントロピーを予測することができる。
弦理論 とループ量子重力の違い
基本的な相互作用の統一。
超ひも理論：4つの基本的な相互作用をすべて統一したものです。
ループ量子重力。
基本的な相互作用の統一を試みていない。
重力と時空の量子力学的な理論です。
超対称性
超弦理論：フェルミオンとボゾンを関連付けるために非常に重要な要素です。
ループ量子重力。
超対称性は必要ない。
ローレンツ不変量の破れ。
超ひも理論：ローレンツ不変量に違反しない。
ループ量子重力。
ローレンツ不変量に抵触する。
寸法
超ひも理論。
超弦理論は4次元以上の高次元を必要とする。
ループ量子重力。
ループ量子重力は高次元を必要としない。
アプローチ
弦理論： 量子論の主要な部分を想定し、量子重力にアプローチする。
Loop quantum gravity: It approaches quantum gravity, assuming main aspects of general relativity.
「開放弦と閉鎖弦” by Xoneca – 自作 (Public Domain) via Commons Wikimedia
「ループ量子論” by Linfoxman – Foxman (Public Domain) via Commons Wikimedia
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