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SCIENTIFIC AMERICAN August 2013

What Is Real?

実在の本質 場の量子論は何を語るか

By Meinard Kuhlmann M.クールマン
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Physicists routinely describe the universe as being made of tiny subatomic particles that push and pull on one another by means of force fields. They call their subject “particle physics” and their instruments “particle accelerators.” They hew to a Lego-like model of the world. But this view sweeps a little-known fact under the rug: the particle interpretation of quantum physics, as well as the field interpretation, stretches our conventional notions of “particle” and “field” to such an extent that ever more people think the world might be made of something else entirely.  物理学者はいつもお決まりのように,宇宙は力の場を介して互いに押し合いへし合いする素粒子でできているのだと説明する。彼らはその学問を「素粒子物理学」と呼び,その道具を「粒子加速器」と呼ぶ。そして彼らは組み立て玩具のレゴのような世界の模型を信奉している。しかしながら,これはあまり知られていない事実を覆い隠すものだ。実のところ量子物理学における粒子の解釈や場の解釈は,通常の「粒子」や「場」といったものの概念を甚だしく拡大したものなのだ。それゆえかつてなく多くの人が,世界はまったく別のものから成り立っているのかもしれないと考えているのである。
The problem is not that physicists lack a valid theory of the subatomic realm. They do have one: it is called quantum field theory. Theorists developed it between the late 1920s and early 1950s by merging the earlier theory of quantum mechanics with Einstein’s special theory of relativity. Quantum field theory provides the conceptual underpinnings of the Standard Model of particle physics, which describes the fundamental building blocks of mat-ter and their interactions in one common framework. In terms of empirical precision, it is the most successful theory in the history of science. Physicists use it every day to calculate the aftermath of particle collisions, the synthesis of matter in the big bang, the extreme conditions inside atomic nuclei, and much besides.  問題は,物理学者が原子よりも微小な領域で有効な理論を持っていないことではない。理論はある。それは「場の量子論」と呼ばれる。理論家が1920年代後半から1950 年代初めにかけて,それまでにできていた量子力学とアインシュタインの特殊相対論とを融合させて作り上げたものだ。場の量子論は素粒子物理の「標準模型」の概念的基盤となっており,標準模型は物質の基本的な構成要素と物質間の相互作用を,ひとつの枠組みの中で説明している。実験によって確認された精度の点では,標準模型は科学史上,最も成功した理論だ。物理学者は日常的に,粒子衝突後の状態やビッグバンの際の元素合成,原子核内の極限的状況など,様々な事柄を計算で求めるのにこれを用いている。
So it may come as a surprise that physicists are not even sure what the theory says?what its “ontology,” or basic physical picture, is. This confusion is separate from the much discussed mysteries of quantum mechanics, such as whether a cat in a sealed box can be both alive and dead at the same time. The unsettled interpretation of quantum field theory is hobbling progress toward probing whatever physics lies beyond the Standard Model, such as string theory. It is perilous to formulate a new theory when we do not understand the theory we already have.  それなのに,物理学者は実のところ,場の量子論が何を意味しているか,つまりその存在論的な意味や基本的な物理的描像についてさえ確たる答えを持っていないと知ったら,驚くことだろう。この混乱は,封印された箱の中の猫が生きていてかつ死んでいるといった,しばしば議論になる量子力学の不可解さとは別のものである。場の量子論の解釈に曖昧さがあることは,標準模型を超える物理,例えば弦理論の探究を進める上での障碍となる。既存の理論をしっかり理解せずして,新たな理論を探し求めることは危うい。
At first glance, the content of the Standard Model appears obvious. It consists, first, of groups of elementary particles, such as quarks and electrons, and, second, of four types of force fields, which mediate the interactions among those particles. This picture appears on classroom walls and in Scientific American articles. However compelling it might appear, it is not at all satisfactory.  一見したところ標準模型の中身は単純だ。それはクォークや電子といった一群の素粒子と,それら素粒子間の相互作用を媒介する4種類の力の場によって構成されている。その表は学校の教室の壁に掲示され,SCIENTIFIC AMERICANの記事にもよく登場する。その内容は説得力があるようにみえるかもしれないが,十分と言うにはほど遠い。