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Kashiyuki Blog

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【和訳】新しい重力理論がダークマターを説明してくれるかもしれない。[New theory of gravity might explain dark matter]

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先日話題になった記事を訳してみました。(下記URL)
New theory of gravity might explain dark matter

f:id:nariagarix:20161117234059g:plain (Credit: Wikipedia)

【以下、原文と和訳】

A new theory of gravity might explain the curious motions of stars in galaxies. Emergent gravity, as the new theory is called, predicts the exact same deviation of motions that is usually explained by invoking dark matter. Prof. Erik Verlinde, renowned expert in string theory at the University of Amsterdam and the Delta Institute for Theoretical Physics, published a new research paper today in which he expands his groundbreaking views on the nature of gravity.

新しい重力理論が銀河内の恒星の興味深い動きを説明してくれるかもしれない。創発重力と呼ばれるこの理論は通常ダークマターを用いることで説明される運動偏差と正確に同じ運動偏差であると予測している。アムステルダム大学、理論物理学デルタ研究所で超弦理論の専門家として名高いエリク・ベルリンデ教授は今日、重力の性質に関して画期的な視点を広げる、新たな論文を発行した。

In 2010, Erik Verlinde surprised the world with a completely new theory of gravity. According to Verlinde, gravity is not a fundamental force of nature, but an emergent phenomenon. In the same way that temperature arises from the movement of microscopic particles, gravity emerges from the changes of fundamental bits of information, stored in the very structure of spacetime.

2010年、エリク・ベルリンデは完全に新しい重力理論で世界を驚かせた。ベルリンデによれば、重力は自然界の基礎的な力ではないが、創発的な現象である。ミクロな粒子の運動により温度が発生するのと同じ方法で、情報の基本的な微小部分の変化から重力も現れ、時空の本来の構造に格納される。

Newton's law from information

In his 2010 article (On the origin of gravity and the laws of Newton), Verlinde showed how Newton's famous second law, which describes how apples fall from trees and satellites stay in orbit, can be derived from these underlying microscopic building blocks. Extending his previous work and work done by others, Verlinde now shows how to understand the curious behaviour of stars in galaxies without adding the puzzling dark matter.

The outer regions of galaxies, like our own Milky Way, rotate much faster around the centre than can be accounted for by the quantity of ordinary matter like stars, planets and interstellar gasses. Something else has to produce the required amount of gravitational force, so physicists proposed the existence of dark matter. Dark matter seems to dominate our universe, comprising more than 80 percent of all matter. Hitherto, the alleged dark matter particles have never been observed, despite many efforts to detect them.

情報からのニュートンの理論

彼の2010年の記事重力の起源とニュートンの理論の中でベルリンデは、どのように木からりんごが落ち、衛星は軌道を描くのかを説明してくれる有名なニュートン力学の第2法則は、これらの根本的なミクロなブロックに由来しているだろうということを示している。彼のこれまでの仕事や他の人々によって為された働きを広げると、ベルリンデは今、不可解なダークマターを追加せずに銀河内の恒星の興味深い振る舞いをどのように理解するかを示している。

私たちのいる天の川銀河のような銀河系の外側の領域は、恒星、惑星、星間ガスのような通常の物質の量から計算される回転速度よりもかなり速く銀河系中心の周りを回転している。何か他のものが、必要とされる重力の大きさを作っているため、物理学者はダークマターを提案している。ダークマターは我々の宇宙を支配しており、全物質の80%以上を成している。ダークマターの粒子だと言われたものは、その検出に多大な努力がなされているのにもかかわらず、これまで観測されていない。

No need for dark matter

According to Erik Verlinde, there is no need to add a mysterious dark matter particle to the theory. In a new paper, which appeared today on the ArXiv preprint server, Verlinde shows how his theory of gravity accurately predicts the velocities by which the stars rotate around the center of the Milky Way, as well as the motion of stars inside other galaxies.

"We have evidence that this new view of gravity actually agrees with the observations, " says Verlinde. "At large scales, it seems, gravity just doesn't behave the way Einstein's theory predicts."

At first glance, Verlinde's theory presents features similar to modified theories of gravity like MOND (modified Newtonian Dynamics, Mordehai Milgrom (1983)). However, where MOND tunes the theory to match the observations, Verlinde's theory starts from first principles. "A totally different starting point," according to Verlinde.

ダークマターは必要ない

エリク・ベルデンテによれば、不思議なダークマター粒子はこの理論には追加する必要がない。今日、ArXivのプリプリントサーバ(査読つき学術雑誌に掲載される予定になっている論文原稿を、原稿が完成した時点で一足早く公開する際に使用されるサーバ)に出された新たな論文で、ベルリンデは、彼の重力理論は、天の川銀河の中心の周りの恒星の回転速度を、他の銀河系内の恒星の運動と同様に正確に予測することを示している。

「私たちはこの重力に関する新たな視点が観測結果に一致する証拠を持っている。」とベルリンでは言う。「大きなスケールでは、重力はただアインシュタインの理論が予測するように振る舞うわけではないと思われる。」とも。

一見、ベルリンデの理論には修正ニュートン力学 と似た特徴が存在している。しかしながら、修正ニュートン力学は観測結果に合わせるために理論を調整しているが、ベルリンデの理論は最初の原理から出発している。ベルリンデによれば、「出発地点が全く違う。」という。

Adapting the holographic principle

One of the ingredients in Verlinde's theory is an adaptation of the holographic principle, introduced by his tutor Gerard 't Hooft (Nobel Prize 1999, Utrecht University) and Leonard Susskind (Stanford University). According to the holographic principle, all the information in the entire universe can be described on a giant imaginary sphere around it. Verlinde now shows that this idea is not quite correct—part of the information in our universe is contained in space itself.

This extra information is required to describe that other dark component of the universe: Dark energy, which is believed to be responsible for the accelerated expansion of the universe. Investigating the effects of this additional information on ordinary matter, Verlinde comes to a stunning conclusion. Whereas ordinary gravity can be encoded using the information on the imaginary sphere around the universe, as he showed in his 2010 work, the result of the additional information in the bulk of space is a force that nicely matches that attributed to dark matter.<br.

ホログラフィック原理の採用

ベルリンデの理論の構成要素の1つは、彼の指導教員であったゲラード・ト・ホーフト(1999年ノーベル賞受賞、ユトレヒト大学)とレオナルド・サスキンド(スタンフォード大学)から紹介された、ホログラフィック原理の採用である。ホログラフィック原理によれば、宇宙全体のすべての情報はその周りの巨大な仮想的な球の上に記述される。ベルリンデは今、このアイデアはまだまだ正確ではないと見ている ー 我々の宇宙の情報の1つの部分 ー はその空間自体に含まれている。

この余分な情報は、宇宙の他の未知の成分である、宇宙の加速膨張に寄与していると信じられているダークエネルギーについて述べるのに必要となる。通常の物質に関するこの追加情報の影響の調査によれば、ベルリンデは素晴らしい結論にたどり着いている。一方、彼の2010年に示した仕事によれば、通常の重力は宇宙の周りの仮想的な球の上の情報を用いて導き出され、空間の容量の中の追加情報の結果はダークマターに起因するものとうまく合致する。

On the brink of a scientific revolution

Gravity is in dire need of new approaches like the one by Verlinde, since it doesn't combine well with quantum physics. Both theories, crown jewels of 20th century physics, cannot be true at the same time. The problems arise in extreme conditions: near black holes, or during the Big Bang. Verlinde says, "Many theoretical physicists like me are working on a revision of the theory, and some major advancements have been made. We might be standing on the brink of a new scientific revolution that will radically change our views on the very nature of space, time and gravity."

科学革命が起ころうとしている

重力は、ベルリンデの行っているような新たなアプローチを必要としており、ゆえに量子物理学をはうまく融合しない。20世紀物理学の宝石であるこの2つの理論は、同時には成り立たない。ブラックホールの近傍やビッグバンが起こっている間のような極限状態において問題がある。ベルリンデは、「私のような多くの理論物理学者が理論の修正を行っており、いくつかの主要な進歩がすでに存在する。私たちは、空間・時間・重力の本当の性質に関する私たちの視点を根本的に変えるであろう新たな科学革命の縁に立っている。」と述べている。