概要：この記事は space.com の記事 "Why is gravity so weak? The answer may lie in the very nature of space-time" を翻訳したものです。著者：Paul Sutter、2022 年 7 月 29 日に公開されました。
他の四つの基本力と比べて、なぜ重力は非常に弱いのでしょうか？
重力の強度を 10 億倍増やしても、それは他の力の 1 兆分の 1 にも満たないほど、依然として最も弱い力です。重力が非常に弱いことは驚くべきことであり、その理由を知りたくなるのは当然のことです。
奇妙なことに、重力が非常に弱い理由は重力そのものではなく、ヒッグスボソンの仕組みと時空の本質に関係しているかもしれません。
階層の問題#
紙を持ち上げてみてください。おめでとうございます、あなたは地球全体の重力を打ち勝ちました。
これはほとんど力を必要とせずに行えます。なぜなら、重力は自然界の四つの基本力の中で最も弱いからです（少なくとも現時点ではそうです）。計量的には、重力は最も強い力である強い核力に比べて兆兆倍も弱いです。
重力の弱さを感じる別の視点もあります。存在する可能性のあるブラックホールには、プランク質量という最小限の制限があります。これは、プランク定数を光速で割り、万有引力定数（G）で割った後に平方根を取ることで計算されます。この質量は約 10⁻⁸キログラムです。もし重力が強ければ、つまり G がもう少し大きければ、より小さく軽いブラックホールを作ることができるかもしれません。
一方、W ボソンと Z ボソン（弱い核力の伝達体）は、プランク質量よりもはるかに軽いです。したがって、重力よりも強い弱い核力は重力よりもはるかに強いです。
多くの物理学者にとって、この「階層の問題」は奇妙に思えるかもしれません。もちろん、宇宙自体が奇妙であり、説明を必要としないかもしれません。しかし、これは非常に満足のいく説明ではありません。それはむしろ、基本力の物理学をさらに深く探求し、まだ発見されていない新しいものがあるかどうかを見ることができるということを示唆しているように思われます。
ヒッグスボソンとは何か？#
電磁力や強い核力を無視し、重力と最も「近い」ライバルである弱い核力と比較してみましょう。おそらく、弱い核力が重力よりも強い理由を解明できれば、全体像を理解することができるかもしれません。
なぜ重力の大きさがこのようなものなのか、私たちは全くわかりません。これを説明しようとする物理学の理論は存在しないようです。しかし、弱い核力の性質、つまりヒッグスボソンが説明できるような何かがあるようです。
ヒッグスボソンは、全時空を含む場であり、多くの他の粒子（例えば電子）と相互作用するように強制します。この相互作用によって、電子は質量を得ます。ヒッグスボソンとの相互作用が多ければ多いほど、質量は大きくなります。
W ボソンと Z ボソンもヒッグスボソンと相互作用し、この相互作用によって質量を得ます。実際、W ボソンと Z ボソンの質量が弱い核力の性質を決定しています。なぜなら、これらの粒子自体が作用しているからです。
では、ヒッグスボソンと相互作用する粒子の質量は何によって決まるのでしょうか？それはヒッグスボソン自体の質量です。もし質量が異なれば、W ボソンや Z ボソンを含む他のすべての粒子の質量も変化します。
この図は欧州原子核研究機構（CERN）のコンパクトムオン線（CMS）検出器が 2012 年に行ったテストで、ヒッグスボソンが光子のペアに崩壊した様子を示しています（黄色の破線と緑色の柱状体）。 （画像の出典：CERN）
さて、ここで指摘する時が来ました：ヒッグスボソンの質量は奇妙です。それは大きいです - 約 250 ギガ電子ボルト（GeV）で、他の多くの粒子と同じくらい大きいです - しかし、巨大とは言えません。そのサイズも小さくありません。実際、ヒッグスボソンの仕組みに関する素朴な量子力学の理解では、非常に多くの相互作用（非常に多く）が互いに相殺し、質量がゼロになるか、互いに強化されて質量が無限大になると予測されます。
ヒッグスボソンがちょうど微妙な範囲にあるのは何が原因なのでしょうか - 宇宙の秩序を保証するために？しかし、ヒッグスボソンは W ボソンと Z ボソンを非常に小さな値に制限し、弱い核力を重力よりもはるかに強くします。
つまり、宇宙で最も弱い力と言われる重力は、重力に問題があるわけではなく、弱い核力が「不正行為」をしているためです。
時空についての新たな考え方#
ヒッグスボソンの質量の非自然な状態については、広く受け入れられている解答はまだありません。したがって、私たちの階層の問題は解決されておらず、重力の弱さの奇妙さの原因も解明されていません。
しかし、これらの議論はすべて、私たちがすべてを正しく計算しているという前提に基づいています - ヒッグスボソンの質量、プランク質量など。おそらく、私たちの計算にはこの宇宙の基本的な要素に関するいくつかの欠落があるのかもしれません。
多くの潜在的な解答の中には、時空の本質的な構造に関する私たちの理解に疑問を投げかけるような考え方があります。弦理論はそのような考え方の基礎を築いています。この理論の数学的な記述を正しく得るためには、新しいコンパクトな空間次元が必要です。
弦理論の概念的な描写。（画像の出典：Getty Images）
しかし、弦理論では、これらの追加次元は非常に小さく、プランクの長さよりもはるかに緻密な微小な形状に収束しています。
それにもかかわらず、いくつかの追加次元はもう少し大きいかもしれません。これらの次元は通常、「大きな余分な次元」と呼ばれますが、それは日常的な意味での「大きさ」ではありません - 実際にはミリメートルのオーダーです。
これらの理論では、自然の他の三つの力は通常の 3 次元宇宙、いわゆる「膜（brane）」に制限されています。しかし、重力はすべての次元に影響を及ぼすことができるため、「ブルク（bulk）」と呼ばれます。その結果、重力の強度は他の力と同じくらい強くなります - さらに強くなるかもしれませんが、それはより多くの次元に広がっています。したがって、3 次元の実験では重力ははるかに弱く見えるのです。
私たちは重力をかなり高い精度でテストしてきましたが、そのような小さなスケールではまだテストされていません。もし私たちの宇宙に「大きな」追加の空間次元があるならば、私たちは 1 ミリメートル未満のスケールでいくつかの奇妙な現象を観測するかもしれません。
例えば、私たちは小さな距離でより強力な重力を観測するかもしれません。なぜなら、それがその追加次元から「漏れ出す」ことができないからです。また、粒子衝突器で微小なブラックホールを作り出すかもしれません。なぜなら、その微小なスケールでは、ブラックホールを作ることが想像以上に簡単になるかもしれません。
現時点では、追加次元の証拠は見つかっていません。それにもかかわらず、重力は非常に弱いままです。