AdS/CFT対応を用いて流体力学の問題を一般相対論の問題へ翻訳する

理論物理学では、AdS/CFT対応(AdS/CFTたいおう、anti-de Sitter/conformal field theory correspondence)は、マルダセーナ双対(Maldacena duality)あるいはゲージ/重力双対(gauge/gravity duality)とも呼ばれ、2つの物理理論の種類の間の関係を予言するものである。対応の片側は、共形場理論 (CFT) で、場の量子論で基本粒子を記述するヤン=ミルズ理論の類似物を意味し、対応する反対側は、反ド・ジッター空間(AdS)で、量子重力の理論で使われる空間である。この対応は弦理論やM-理論のことばで定式化された。

双対性は、弦理論と量子重力の理解の主要な発展の現れである[1]。この理由は、双対性がある境界条件を持つ弦理論の非摂動的(英語版)(non-perturbative)な定式化であるからであり、注目を浴びている量子重力のアイデアのホログラフィック原理を最もうまく実現しているからである。ホログラフィック原理は、もともとジェラルド・トフーフトが提唱し、レオナルド・サスキンドにより改善されている。

加えて、強結合(英語版)の場の量子論の研究への強力なツールを提供している[2]。 双対性の有益さの大半は、強弱双対性から来ている。つまり、場の量子論強い相互作用である場合に、重力理論の側は弱い相互作用であるので、数学的に取り扱い易くなっている。この事実は、強結合の理論を強弱対称性により数学的に扱い易い弱結合の理論に変換することにより、原子核物理学や物性物理学での多くの研究に使われてきている。

AdS/CFT対応は、最初に1997年末、フアン・マルダセナにより提起された。この対応の重要な面は、スティブン・ガブサー(英語版)、イーゴル・クレバノフ(英語版)、アレクサンドル・ポリヤコフの論文や、エドワード・ウィッテンの論文により精査された。2014にはマルダセナの論文の引用は10000件を超え、高エネルギー物理学の分野の最も多く引用される論文となっている。[3]

現在の重力の理解は、アルバート・アインシュタインの一般相対論に基礎をおいている[4]。1916年に定式化された一般相対論は、空間と時間、もしくは時空の幾何学のことばで重力を説明する。それは、アイザック・ニュートンやジェームズ・マックスウェルのような物理学者により開拓された古典物理学のことばで、定式化される[5]。重力ではない他の力は、量子力学フレームワークで説明される。20世紀の前半に多くの物理学者により発展した量子力学は、物理的な現象を確率を基礎として記述する根底から異なる方法を提供している[6]。

量子重力は、量子力学の原理を使い重力を記述することを目的とする物理学の分野である。現在、量子重力の最も有名なアプローチは弦理論であり[7]、弦理論のモデルは基本粒子を 0次元の点ではなく、1次元の弦(英語版)と呼ばれる対象を扱う。AdS/CFT対応では、典型的には、弦理論、もしくはその現代的な拡張であるM-理論から導出された量子重力の理論を考える。[8]

日常の生活の中で、3次元である空間(上下、左右、前後)と 1次元の時間は見慣れている。このように、現代物理学の言葉では、4次元の時空に我々は住んでいるという[9]。弦理論とM-理論の特別な特徴の一つに、これらの理論が数学的な整合性のため、時空に余剰次元を要求することである。弦理論の時空は 10次元であり、M-理論の時空は 11次元である。[10]AdS/CFT対応に現れる量子重力理論は、弦理論やM-理論からコンパクト化として知られている過程により得られる。この過程は、より低い次元を有効理論として持っていて、理論を円の中に余剰次元を巻き上げる過程である。[11]

コンパクト化の標準的なアナロジーは、庭の散水用のホースのような立体的な対象を考える。ホースを充分に離れた所から見る限りは、1次元の長さとしてしか見られないが、しかし、ホースに近づいてみると丸まっている 2次元の太さを持っていることに気がつく。蟻はその上を2次元で動くことができるというわけだ[12]。

空間と時間へ広がっている電磁場のような物理的対象の量子力学の応用は、場の量子論として知られている。[13] 素粒子物理学では、場の量子論は基本粒子の理解の基礎をなし、基本的な場の励起としてモデル化される。場の量子論は、また準粒子と呼ばれる対象のような粒子のモデル化するため凝縮系物性全体にも使われる[14]。

AdS/CFT対応では、量子重力理論に加えて、共形場理論と呼ばれるある場の量子論の一種を考える。この場の理論は、特別な対称性を持ち、数学的に扱い易いタイプの場の量子論である。[15] この理論は、よく弦理論の脈絡の中で研究され、時空の中を伝播する弦の軌跡としてワールドシート(英語版)と結びつき、統計力学では、熱力学的臨界点で系をモデル化している[16]。

AdS/CFT対応では、弦理論やM-理論を反ド・ジッター空間を背景として考える。このことは、時空の幾何学が反ド・ジッター空間(AdS空間)と呼ばれる時空での、アインシュタイン方程式の真空解(英語版)の項として記述される[17]。

非常に基本的事項であるが、反ド・ジッター空間での点の間の距離の概念(計量)は、通常のユークリッド幾何学とは異なっている。右の図で示しているディスク (disk) のように見ることができ、双曲空間(英語版)と密接に関連している[18]。この図は、三角形と四角形によってディスクを平面充填していることを示している。そこでは、三角形と四角形がみな同じ大きさであり、円の形をした境界が内部のどの点からも無限に離れているような方法で、このディスクの点の間の距離を定義することができる[19]。

ここで、双曲ディスクの積み重ねの各々が、ある時刻の宇宙の状態を表していることを想像しよう。結果として出てくる空間は、3次元の反ド・ジッター空間となる[18]。これは中身の詰まった円柱のように見え、どの断面も双曲ディスクのコピーである。時間はこの図の縦軸方向に沿って流れる。この円柱の側面は、AdS/CFT対応で重要な役割を果たす。双曲平面の場合は、任意の内部の点が実際にはこの境界面より無限に離れているような方法で、反ド・ジッター空間は歪んでいる[20]。

反ド・ジッター空間の重要な性質は、境界(3次元の反ド・ジッター空間の場合には円筒となる)にある。境界の重要な性質の一つは、いずれの点の周りも局所的には、重力のない物理学で使われる時空のモデルであるミンコフスキー空間のように見えることである。[21]

従って、反ド・ジッター空間の境界によって与えられる「時空」の中で補助となる理論を考えることが可能となる。この見方はAdS/CFT対応の出発点であり、反ド・ジッター空間の境界は共形場理論の「時空」と見なすことが可能となることを言っている。この主張は、一つの理論からもう一つの理論に計算を翻訳する「辞書」があるという意味で、共形場理論がバルクである反ド・ジッター空間上の重力理論に等価であるという主張である。一方の理論の実在がもう一方の理論の中に対応する片方を持っている。例えば、重力理論での単独粒子は境界上の理論の粒子のいくつかの集まりに対応しているかもしれない。加えて、この2つの理論に関する予言は、数値的な量としても同一視できるので、2つの粒子が重力理論の中で衝突する確率が 40%であるとすると、境界上の理論でも対応する(粒子の)集まりは 40%の衝突確率を持っている[22]。

反ド・ジッター空間の境界は、反ド・ジッター空間自体よりも小さな次元を持っていることに注意が必要である。例えば、上に図示した 3次元の例では、境界は 2次元の面である。AdS/CFT対応は、2つの理論の間の関係が 3次元の対象とそのイメージのホログラムとの間の関係に似ていることから、よく「ホログラフィック対応」として記述される。[23] ホログラムは 2次元ではあるが、表現している対象の 3次元の全ての情報をエンコードしている。同様に、AdS/CFT対応により関連付けられている理論は、次元の数が異なっているにもかかわらず、「正確に」等価であると予想されている。共形場理論は高次元の量子重力理論の情報を持ったホログラムのようである[19]。

マルダセーナの1997年の見方に従い、理論家たちは多くのAdS/CFT対応の実例を発見して来た。これらの実例は、様々な共形場理論を様々な次元の弦理論やM-理論のコンパクト化した理論と関連付けている。ADS/CFT対応で関連づけられた理論は、一般的には、現実の世界を表すモデルではないが、素粒子的性質や高い自由度をもつ性質を持っていて、場の量子論や量子重力の中にある問題を解くために有効に使うことのできる。[24]

最も有名なAdS/CFT対応の例は、積空間 の上のタイプIIB弦理論が、4次元境界を持つN=4 超対称ヤン・ミルズ理論に等価であるという例である[25]。この例の中では、重力理論のある時空は、有効理論として 5次元であり(よって、 と書く)、5つの加えられた「コンパクト」な次元( の因子よりエンコードされている)が存在する。少なくともマクロスコピックには、現実の世界の時空は 4次元であるので、このAdS/CFT対応のバージョンは重力の現実的なモデルを提供はしない。同様に、双対理論は超対称性が数多くあることを前提にしているので、なんら現実世界の系を表すモデルではない。しかし、以下に説明するように、この境界理論は、量子色力学、つまり強い力と共通な様相を示している。この理論は、フェルミオンを持つ量子色力学グルーオンに似た粒子を記述している[7]。結果として、原子核物理学、特にクォークグルーオンプラズマの研究に応用が見出されている。[26]

もうひとつのAdS/CFT対応の実例は、 上のM-理論は、6次元 (2,0)-超共形場理論に等価であろうという例である[27]。この例では、重力理論の時空は、有効理論として 7次元である。双対性の片方に現れる(2,0)-理論は、超共形場理論(英語版)の分類によって、予言される。この理論は、古典的極限(英語版)を持たない量子力学の理論であるので、いまだ少ししか理解されていない。[28] この理論を研究することに内在的な困難さがあるが、物理学と数学の双方にとって、様々な理由からこの理論は興味ある対象と考えられている[29]。

さらにもう一つのAdS/CFT対応の実例として、 上のM-理論と、3次元のABJM超共形場理論が等価であるという例がある[30]。 そこでは、重力理論は 4つの非コンパクトな次元を持ち、従って、このAdS/CFT対応のバージョンは重力のより現実的な記述をもたらしている[31]。

場の量子論では、摂動論のテクニックを使った様々な物理学的な事象の確率の計算が典型的である。20世紀前半にリチャード・ファインマンやその他の人により開拓された摂動的場の量子論は、ファインマン図形と呼ばれる特別な図形を使用し、計算を体系的に行う。これら図形は、点のような粒子とそれらの相互作用を描いていると想定できる。[32] この定式化は、結果を予言をすることに極めて有用である。にもかかわらず、これらの予言は、相互作用の強さである結合定数が信頼に足りうるに十分小さな場合、単に相互作用のない場合に近いときのみ、有効であるに過ぎない。[33]

弦理論の出発点は、場の量子論の点のような粒子は弦と呼ばれる 1次元の対象としてモデル化することができるというアイデアである。弦の相互作用は、普通の場の量子論で使われる摂動論を一般化することで、直接、定義される。ファインマン図形のレベルで、このことは点粒子の経路を表している 1次元図形を、弦の運動を表現する 2次元の曲面に置き換えることを意味する。場の量子論とは異なり、弦理論はいまだに完全な非摂動的な定義が与えられていないので、物理学者が答えたい多くの理論的な問題が、未解決となっている。[34]

弦理論の非摂動的定式化を開拓する問題は、AdS/CFT対応の研究のもともとの動機の一つであった。[35] 上で説明したように、AdS/CFT対応は、反ド・ジッター空間の上の弦理論に等価な場の量子論の例をいくつか提供する。見方を変えると、重力場が漸近的に反ド・ジッター空間となる特別なとき(重力場が空間の無限遠点で反ド・ジッター空間の場となっている)には、このAdS/CFT対応が、弦理論の定義を与えていると見ることも可能である。弦理論で物理的に興味の対象となる量は、双対な場の量子論の量の項で定義される[19]。

1975年、スティーヴン・ホーキングは、ブラックホールは完全なブラックホールではなく、事象の地平線の近くの量子効果のため、わずかな輻射が発生していることを示唆する計算結果を発表した[36]。最初、ホーキングの結果は、ブラックホールが情報を壊してしまうであろうことを示唆したため、理論家に対しては問題の提起となった。さらに詳しくは、ホーキングの計算は、基本的な量子力学の数学的定式化の一つと矛盾するように見えると指摘した。量子力学の基準とは、物理系はシュレディンガー方程式に従って時間発展するというものである。普通は、この性質を時間発展のユニタリ性として理解する。ホーキングの計算と量子力学のユニタリ性の基準の間の一見矛盾に見えることは、ブラックホール情報パラドックスとして知られるようになった。[37]

AdS/CFT対応はすくなくともある程度拡張すれば、ブラックホールの情報パラドックスを解決することが可能となる。なぜならば、AdS/CFT対応の脈絡では、ブラックホールがどのようにして量子力学との整合性をもって発展することが可能かを示すことができるからである。実際、ブラックホールをAdS/CFT対応の脈絡で考えると、ブラックホールは反ド・ジッター空間の境界上の粒子の構成に対応することになる。[38] これらの粒子は普通の量子力学の規則に従って、特にユニタリ性をもって発展するので、ブラックホール量子力学の原理に照らしユニタリ性保存するはずである[39]。 2005年にホーキングは、パラドックスがAdS/CFT対応により情報を保存する方向に設定したとアナウンスし、ブラックホールは情報を保持するであろう具体的メカニズムを示唆した[40]。

AdS/CFT対応を使い研究されている一つの物理系は、クォークグルーオンプラズマ(quark-gluon plasma)で、素粒子加速器で生成されるエキゾチックな物質の状態である。この物質の状態は、金や鉛のような重いイオンが高エネルギーで衝突する短い瞬間に発生する。そのような衝突は、原子核ケルビン温度でおよそ 度で閉じ込めを解く(英語版)ことで得られる。温度の条件は、ビッグバンの後のおよそ 秒後の状態に似ている。[41]

クォークグルーオンプラズマの物理は、量子色力学により統制されているが、この理論は数学的には問題を取り扱い易くはない。[42]2005年のダム・ターン・ソン(英語版)と協力者による論文の中では、弦理論のことばの中で表すことで、クォークグルーオンプラズマのいくつかの側面を理解することに、AdS/CFT対応が使われている[26]。 しかし、ソンと協力者は、AdS/CFT対応を適用することで、5次元の時空の中のブラックホールのことばでクォークグルーオンプラズマの記述が可能となった。計算はクォークグルーオンプラズマに関連する 2つの量、粘度 とエントロピーの体積密度 の比率が、次のある普遍的な定数に漸近的に等しくなることを示している。


ここに はプランク定数であり、 はボルツマン定数である。[43][44] 加えて、これらの著者は、この普遍的定数が系の大きなクラスでは の下界(英語版)を与えると予想している。2008年に予言されたクォークグルーオンプラズマの比の値は、ブルックヘブン国立研究所の相対論的重イオン衝突器(英語版)により確かめられた[45]。

クォークグルーオンプラズマのもう一つ別の重要な性質として、プラズマの中を動く非常に高いエネルギーのクォークは、たった数フェムトメートル(10-15m)動いた後に止まったり、「折れ曲がったり(quenched)」したりする。この現象はジェットクエンチング(英語版)パラメータと呼ばれる数値 により特徴付けられる。ジェットクエンチングパラメータは、プラズマを通って動く距離の二乗に、クォークの失うエネルギーが関係付いていることを示している。AdS/CFT対応に基づく計算は、理論家が の値を見積もることを可能とし、その結果がこのパラメータにほぼ一致していることが分かり、この現象のより深い理解のために、AdS/CFT対応が有益であることを明らかにしている。[43

何十年にもわたり、物理的な凝縮系物性の物理学者は、数多くの超伝導超流動といったエキゾチックな物質の状態を発見してきた。これらの状態は、場の量子論の定式化を使い記述されるが、標準的な場の理論のテクニックを使っては説明することが困難な現象もある。スビル・サチデフ(英語版)といった凝縮系物性の物理学者は、AdS/CFT対応が弦理論のことばでこれらの系の記述を可能にすることができ、さらにそれらの振る舞いをより深く研究することができると期待している[47]。

これまで弦理論の方法を使い、超流動から絶縁体への転換の記述することに成功した。超流動は、全く摩擦を持たない電気的に中性な原子の系である。そのような系は、液体ヘリウムを使った実験室内でしばしば生成されるが、最近、実験家たちは交叉するレーザーの格子の中へ冷却された原子を大量に注ぎ込むことにより、人工的に超流動を作り出す新しい方法を開発した。これらの原子は、超流動の振る舞いをするが、レーザーの強さを強くするに従い、動きが鈍くなり、突然絶縁体の状態へと変わる。この変換の間に、原子は普通の振る舞いをする。例えば、原子はプランク定数や温度とは独立な量子力学のパラメータのレートの半分まで遅くなる。このパラメータは、他の相 (物質)の記述には現れない。この振る舞いは、最近、流動の性質が高次元のブラックホールの言葉で記述される双対な記述を考えることにより理解された。[48]

多くの物理学者が核物理学や凝縮系物性物理学の分野で弦理論をベースとした方法へと転換していく中、物理学者の中には、現実世界の物理系の信頼に足るモデルをAdS/CFT対応が提供しているとすることに疑問を呈する理論家もいる。2006年のクォーク物質のコンファレンスのトークの中[49]で、ラリー・マクレラン(Larry McLerran)はAdS/CFT対応に現れる N=4 超対称ヤン・ミルズ理論は、量子色力学とは重要な違いがあるので、核物理学にこれらの方法を適用することには大きな困難があると指摘した。マクレランは次のように述べている。

 

 
Physics Todayのレターの中で、ノーベル賞受賞者であるフィリップ・アンダーソンはAdS/CFTの凝縮系物性への応用の類似性に対し、次のようにコメントしている。

1997年の末のAdS/CFT対応の発見は、弦理論と核物理学を関連付ける努力の長い歴史の頂点であった。[51] 事実、弦理論は本来、1960年代の末から1970年代の初めにかけての間は、陽子や中性子が互いに強い力で結びつけられているような亜原子粒子やハドロンの理論として研究されていた。アイデアは、これらの粒子の各々が弦の異なる振動モードとみなすことができることである。1960年代末、実験家は、角運動量に比例するエネルギーの二乗のレッジェ軌跡(英語版)と呼ばれる族にハドロンが落ちることを発見し、この関係が回転する相対論的な弦の物理から自然にでてくることに気付いた[52]。

他方、弦としてハドロンをモデル化しようとする試みは、深刻な問題に直面した。一つの問題は、弦理論が無質量でスピン 2の粒子を持っているのに対し、そのような粒子はハドロンの物理には現れないことであった。[51] そのような粒子は重力の持つ性質を媒介にするのではないか。1974年にジョエル・シャーク(英語版)とジョン・シュワルツは、弦理論は核物理学の理論ではなく、多くの理論家が考えるように量子重力に変わるべきものではないかと示唆した。[53]同じ頃、ハドロンは実際、クォークからできていることが発見され、量子色力学の方向性が選択されたため、弦理論のアプローチは捨てられてしまった。[51]

量子色力学によると、クォークは3色の色荷と呼ばれる電荷のようなものを持っている。1974年の論文で、ジェラルド・トフーフトは量子色力学に似た理論を考えることにより別の観点より、弦理論と核物理学の間の関係を研究した。そこでは、色の数は3でななく、ある任意の数 である。この論文で、トフーフトは が無限大となるような極限を考え、この極限では、場の量子論の計算が弦理論の計算に似ていることを議論した。[54]

1975年、スティーブン・ホーキングは、ブラックホールは完全な黒色ではなく、事象の地平線の近くの量子効果により、かすかに輻射していることを示唆した[36]。この論文は、続くヤコブ・ベッケンシュタインの論文に拡張され、彼はブラックホールが定義可能なエントロピーを持つことを示唆した。[55] 最初、ホーキングの結果は、主要な量子力学の基準の一つである時間発展のユニタリ性に矛盾するように見えた。直感的には、ユニタリ性の規則は、ある状態から他の状態へ発展するとき、量子力学系が情報を壊すことはないということである。この理由から、一見、矛盾に見えることは「ブラックホール情報パラドックス」として知られるようになった[56]。

後日、1993年、ジェラルド・トフーフトは量子重力の展望を与える論文を書き、ホーキングのブラックホールの熱力学の仕事を再び検討し、ブラックホールの中の時空領域の中の自由度の全部の合計が、事象の地平線の表面積に比例するという結論に達した。[57] このアイデアはレオナルド・サスキンドにより注目され、今ではホログラフィック原理として知られるようになった[58]。ホログラフィック原理とAdS/CFT対応を通した弦理論での再現は、ホーキングの仕事により示唆されたブラックホールミステリィ―を明確にする助けとなり、ブラックホールの情報パラドックスの解決をもたらすものと信じられている[39]。2004年、ホーキングはブラックホール量子力学を壊さないとして論争に譲歩し[59]、 ブラックホールが情報を保持するであろう具体的なメカニズムを示唆した[40]。

1997年末、ジュアン・マルダセーナは、AdS/CFTの研究を最初となる記念碑的な論文を出版した[27]。 アレクサンドル・ポリヤコフによれば、「マルダセーナの仕事は、血の扉を開いた」と言っている[60]。 予想は直ちに、弦理論の学会で非常な興味を呼び起こし[39]、スティーブン・ガブサー(英語版)、イーゴル・クレバノフ(英語版)、ポリヤコフによる論文[61]や、エドワード・ウィッテンによる論文[62] でさらに研究された。これらの論文はマルダセーナの予想と反ド・ジッター空間の境界に現れる共形場理論を、さらに詳しく研究した[60]。

マルダセーナの提案の中で一つの特別な場合は、N=4 超対称ヤン・ミルズ理論、量子色力学とある意味で似ているゲージ理論が、5次元の反ド・ジッター空間の中の弦理論に等価であることを言っている[31]。この結果は、早い段階のトフーフトの弦理論と量子色力学の間の関係についての仕事を評価する助けとなった。核物理学の理論として、弦理論を理論の根底に置くこととなった[52]。マルダセーナの結果はまた、量子重力とブラックホール物理学で重要な意味を持つホログラフィック原理を具体的に実現することを提供した[1]。 2014年現在、マルダセーナの論文は高エネルギー物理学分野での引用が10000件を超える最も高い引用数に達している。[3] これらの論文は、数学的に厳密な証明(英語版)には程遠いが、AdS/CFT対応が正しいことの適切な証拠を与えている[39]。

1999年、コロンビア大学で仕事を終えた後、核物理学者のダム・ターン・ソンは、アンドレイ・スターネッツ(Andrei Starinets)を訪問した。スターネッツはソンの友人で、彼が大学院生のときにニューヨーク大学で弦理論のポスドクであった[63]。二人は最初は協力する意思があったわけではなかったが、ソンは直ちにスターネッツのやっていたAdS/CFTの計算が、重いイオンを高エネルギーで衝突させるときに生成されるクォークグルーオンプラズマのエキゾチックな物質の状態(超流動性(超低粘性))の計算に使えることに気付いた。スターネッツとパベル・コブタン(Pavel Kovtun)の協力の下、ソンはAdS/CFT対応を使い、プラズマのキーとなるパラメータの計算をすることができた[26]。ソンは後日、「プラズマの粘度の値の予想を与えてくれる、理論上の計算をもたらした。...私の核物理学の友人は、ジョークで弦理論から出てきた初めての有益な論文だねえと言っている[47]。"

今日、物理学者はAdS/CFT対応の応用を場の量子論の中に探し続けている。[64] ソンと協力者たちにより開拓された核物理学への応用に加えて、サビル・サチデフのような凝縮系物性の物理学者が、弦理論の方法を使い、凝縮系物性のある側面を理解しようとしている。この方向の重要な結果は、AdS/CFT対応を通した超流動の絶縁体への遷移の記述である[48]。 他に現れている主題は、流体/重力対応で、AdS/CFT対応を用いて流体力学の問題を一般相対論の問題へ翻訳することである。[65]

4次元宇宙の重力の量子的側面をより良く理解するために、より低い次元の数理モデルを考えた物理学者もいる。そこでは時空は単に 2次元の空間次元と 1次元の時間を持っている。[66] この設定では、重力場を表す数学は、劇的に単純化されていて、量子重力を場の量子論から来る似た方法を使い研究することができる。弦理論の必要性もないし、4次元の量子重力への根底的なアプローチが可能と考えられている。[67]

ブラウン(J.D. Brown)とマーク・ヘナー(英語版)の1986年の仕事に始まり[68]、物理学者たちは、3次元の量子重力理論が密接に 2次元の共形場理論に関連していることを認識していた。1995年にヘナーは彼の協力者と、この関係をさらに詳細に開拓して、反ド・ジッター空間の 3次元重力はリウヴィル場理論として知られる共形場理論に等価であることを示唆した。[69] エドワード・ウィッテンにより定式化された別の予想は、反ド・ジッター空間の 3次元重力は、モンスター群の対称性を持つ共形場理論に等価であるとしている[70]。これらの予想は、弦理論やM-理論の全てを道具立てを使わないAdS/CFT対応の例を提供する。[71]

宇宙は加速度的なレートで膨張していることが今日知られているので、現実の宇宙とは異なり、反ド・ジッター空間は膨張もしなければ収縮もしない。代わりに全ての時間で同じに見える[18]。さらにテクニカルなことばを使うと、反ド・ジッター空間は負の宇宙定数を持った宇宙に対応しているのに対し、現実の宇宙は小さな正の宇宙定数を持っている。[72]

短かな居地での重力の性質は、宇宙定数の値とはいくらか独立であるが[73]、正の宇宙定数に対するAdS/CFTのバージョンが求められている。2001年アンドリュー・ストロミンジャーは、dS/CFT対応(英語版)と呼ばれる双対のバージョンを導入した。[74] この双対性は、正の宇宙定数を持ったド・ジッター空間のモデルを意味する。多くの天文学者は非常に初期の宇宙はド・ジッター空間に近かったと信じているので、天文学の観点からはその双対性は非常に興味を持たれている[18]。 我々の宇宙は、また、遠い将来はド・ジッター空間に似ているかもしれない[18]。

AdS/CFT対応は良くブラックホールの研究に有益であり[75]、AdS/CFTの脈絡で考えたブラックホールのほとんどが、非物理的である。実際、上記で説明したように、AdS/CFT対応のほとんどのバージョンが、非物理的な超対称性をもつ時空の高次元のモデルである。

2009年、モニカ・グイカ(Monica Guica)、トーマス・ハートマン(Thomas Hartman)、ウェイ・ソン(Wei Song)とアンドリュー・ストロミンジャーは、にもかかわらず、AdS/CFTの考えがある天文学的なブラックホールの理解に役立つことを示した。さらに詳しく言うと、彼らの結果を臨界ブラックホールやカーブラックホールにより近似されるブラックホールへ適用できる。臨界カーブラックホールは、与えられた質量と整合性を持つ限りの最大の角運動量を持つ。[76]彼らは、そのようなブラックホールが共形場理論の言葉での記述と等価な記述持っている。Kerr/CFT対応は、後日、小さな角運動量を持つブラックホールへ(この大きな角運動量を持つブラックホールの理論を)拡張したものである。[77]

AdS/CFT対応は、イーゴル・クレバノフとアレクサンドル・ポリヤコフの2002年の論文によって予想された別の双対性に密接に関連している[78]。 この双対性は、ある反ド・ジッター空間の上の「高次スピンゲージ理論」が、O(N)対称性を持つ共形場理論と等価であるというものである。ここで、バルクの理論は、任意の高次スピンの粒子を記述しているゲージ理論の一種である。この理論は弦理論に似ていて、そこでは振動する弦の励起モードが高次のスピンを持つ粒子に対応していて、AdS/CFT対応と対応の証明が、弦理論バージョンのよりよい理解の助けになるかもしれない。[79] 2010年、シモン・ギオンビ(Simone Giombi)とジー・イン(Xi Yin)は、3点函数と呼ばれる量を計算することにより、この双対のさらなる証拠を得た。[80]

 

 

 

確率密度関数

確率論において、確率密度関数(かくりつみつどかんすう、英: probability density function、PDF)とは連続確率変数がある値をとるという事象の相対尤度を記述する関数である。確率変数がある範囲の値をとる確率を、その範囲にわたって確率密度関数積分する事により得ることができるよう定義される。例えば単変数の確率分布を平面上のグラフに表現して、x軸に“ある値”を、y軸に“相対尤度”を採った場合、求めたい範囲(x値)の下限値と上限値での垂直線と、変数グラフ曲線とy=0の直線とで囲まれる範囲の面積が確率の密度に相当する。確率密度関数は常に非負であり、取り得る範囲全体を積分するとその値は1である。

確率分布関数 (probability distribution function)[1] あるいは確率関数 (probability function)[2] という用語は確率密度関数を指しているが、確率論研究者や統計学者の間では標準的でないとされる場合がある。他の資料に拠れば「確率密度関数」は値の集合に対する関数として定義されたり、累積分布関数との関係で言及されたり、確率質量関数の意味で使われたりする。さらには、密度関数 (density function) という用語が確率質量関数の意味で用いられている場合もある[3]。

例として、寿命が4〜6時間に一様に分布するバクテリアが居ると仮定する。この時バクテリアの寿命が丁度5時間である確率はどれ位だろうか? 答えは0%である。およそ5時間で寿命を迎えるバクテリアはある程度居るが、正確に5.0000000000...時間である確率は無視し得る。

一方で、寿命が5〜5.01時間である確率は如何であろうか? その答えは2%である。では、その1⁄10の範囲の5〜5.001時間である確率は? 答えは2%×1⁄10=約0.2%となる。さらにその1⁄10の範囲の5〜5.0001時間である確率は、およそ0.02%である。

従って、「バクテリアの寿命が5時間である確率」を問われた時、真の答えは0%であるが、より実用的には、(2時間)−1dtであると言える。これは“丁度5時間”を含む無限小の時間範囲を表現するもので、dt はその時間範囲を意味する。例えば、丁度5時間〜5時間+1ナノ秒の寿命である確率は、(2時間)−1 × 1ナノ秒 = 6 × 10−13 である。

(2時間)−1という量は、バクテリアの寿命が5時間である確率密度であり、確率密度関数 f は

f (5時間) = (2時間)−1

と表現される。f を取り得る時間範囲(微小に限らない)で積分すると、当該時間範囲内でバクテリアの寿命が尽きる確率を求めることができる。例えば、寿命が丁度5時間〜6時間である確率は (2時間)−1 × 1時間 = 0.5 である。

確率密度関数は多くの場合、絶対連続型の単変数分布(英語版)として考える。確率変数 X の密度fX を考え、fX が非負のルベーグ積分な関数であるとする。ここで、


である。従って、もし FX を X の累積分布関数とすると、


となり、


となる。直観的に、微小区間 [x, x + dx] に含まれる値を X がとる確率は fX(x)dx であると判る。


可測空間 (通常、Rn に可測集合としてボレル集合を考えたもの)中に存在する確率変数 X は、 中に測度 X∗P で確率分布する。 中の標準測度 μ に関する X の密度は、ラドン=ニコディムの定理より


である。これは、f は次の性質を持つ任意の可測関数であることを意味する。あらゆる可測集合 に対して、

上記の連続単変数の場合は、標準測度はルベーグ測度である。離散確率変数における確率質量関数は標本空間(通常、整数全体の集合またはその部分集合)内での数え上げ測度に対応する。

任意の測度で密度が定義できる訳ではないことに注意。例えば、連続確率分布に数え上げ測度を対応させることはできない。さらに、対応する測度が存在した時、密度はほとんど至るところで一意的である。

確率とは異なり、確率密度関数は1より大きな値を取ることができる。例えば、区間[0,1⁄2]の連続一様分布の確率密度は範囲0 ≤ x ≤ 1⁄2でf(x) = 2、その他の範囲でf(x) = 0である。

標準正規分布は下記の確率密度関数を持つ。


確率変数Xとその確率密度関数fが与えられた時、Xの期待値は(値が存在する場合は)下記の様に求められる。


全ての確率分布が密度関数を持つとは限らない。離散確率変数が持たない他にも、カントール分布は離散分布ではないにも関わらず、範囲内のあらゆる点で正の確率を持たない為、密度関数を持たない。

分布はその累積分布関数F(x)が絶対連続である場合にのみ密度関数を持つ。この場合Fはほとんど至るところで微分可能で、その導関数は確率密度を用いて下記の様に表せる。


確率分布が密度を示すとすると、有限可算集合の場合と同様に、集合{a}の全ての点の確率は0である。

2つの確率密度f、gがルベーグ測度ゼロ(英語版)の集合内でのみ異なる時、2つは正確に同じ確率分布から採られたと言える。

統計物理学(英語版)の分野では、累積分布関数の導関数確率密度関数との関係を非形式的に書いた以下の式が確率密度関数の定義として用いられる。

dtが無限小の時、Xが区間(t, t+dt)に含まれる確率はf(t)dtに等しい。

ディラックデルタ関数を用いると、ある種の離散確率変数に依って連続確率変数および離散確率変数の確率密度関数を統一的に表現することができる。試しに、2つの値しか採らない離散確率変数を考える。例えばラーデマッヘル分布(英語版)―すなわちそれぞれ1⁄2の確率で−1または1の値を採る分布―である。この変数の確率の密度は


である。より一般化すると、離散変数がn通りの実数値を取り得る時、その離散値をx1, …, xn、その確率をp1, …, pnとすると確率密度関数


と表記される。

これは実質的に、離散確率変数と連続確率変数を統合している。例として、上記の表現からは連続変数と同様に離散変数について統計学的パラメータ(平均、分散、尖度等)を計算可能である。

確率密度関数または確率質量関数を任意の媒介変数でパラメータ化することがしばしばある。例えば、正規分布の密度は平均 μ および分散 σ2を用いて下記のように表現できる。


このとき密度の族の定義域と族のパラメータの定義域との違いに留意することが重要である。パラメータの値が異なると、同じ標本空間(英語版)(変数が取り得る全ての値の集合で、同一である)に属する異なる確率変数の分布を表現する事になる。その標本空間は、その分布の族が示している確率変数の族の定義域である。与えられたパラメータの集合は、そのパラメータを用いた共通の関数として密度関数を記述できる確率分布族の内の1つを指す。確率分布の観点からすると、パラメータは定数なので、密度関数に変数を含まずパラメータのみを含む場合、パラメータは分布の正規化係数(英語版)(定義域全域での確率=1になる様に調整する係数)の一部を成す。この正規化係数は分布のカーネル(英語版)外にある。

パラメータが定数なので、さらに異なるパラメータで再パラメータ化して族の中に他の確率変数を位置付けることは、単に古いパラメータを捨てて式の中に新しいパラメータを置くだけに過ぎない。しかし、確率密度の定義域を変更する事には慎重さが必要で、作業量が多くなる。下の変数変換欄を参照。

n個の連続確率変数X1, …, Xnについて、通常結合確率密度関数と呼ばれる確率密度関数を定義することができる。この密度関数はn次元空間の定義域D中のn個の変数X1, …, Xnを用いて、下記の様に書く事ができる。


若しF(x1, …, xn) = Pr(X1 ≤ x1, …, Xn ≤ xn) がベクトル(X1, …, Xn)の累積分布関数ならば、結合確率密度関数偏微分で導く事ができる。

i=1, 2, …,nの時、fXi(xi)を変数Xiのみの関数(確率密度関数)とする。これは周辺密度関数と呼ばれ、確率変数X1, …, Xnの確率密度からXi以外のn−1個の変数を重積分する事で求められる。

結合密度を構成する連続確率変数X1, …, Xnがいずれも独立である時、


である。

n個の確率変数からなる結合密度関数が1つの変数のn個の関数であり、


である(それぞれのfiは密度でなくとも良い)ならば、n個の変数はそれぞれ独立で、それぞれの周辺密度関数は下記で表される。

以下に2変数での基本的な例を記す。2次元の確率ベクトル(X, Y)を とすると、x、yが共に正である第I象限で得られた の確率は


である。

確率変数Xの確率密度関数がfX(x)である時、別変数の確率密度関数Y = g(X)を計算することができる。(多くの場合は必要ないが。)これは「変数変換」と呼ばれ、実際面では既知の(一様分布等)乱数生成器から任意の形のfg(X) = fYを導き出す事ができる。

関数gが単調写像である時、その結果得られる密度関数は


である。ここでg−1は逆写像である。

このことは微分範囲に含まれる確率が変数変換後も不変である事からも判る。つまり、


または


である。一方、単調写像でない確率密度関数yは


(n(y)はg(x) = yを満たすxの解の数、g−1k(y)はその解)である。

これを見ると、期待値E(g(X))を求めるためには最初に新たな確率変数Y = g(X)の確率密度fg(X)を求める必要があると思いたくなる。しかし、


を計算するよりは寧ろ、


を計算する方が良い。

Xとg(X)の両方が確率密度関数を持つ時、あらゆる場合に2つの積分値は等しい。gが単射である必要はない。前者より後者の計算が簡単である場合がある。

上記の式は、1つよりも多くの変数に依存する変数(y と書く)に一般化できる。y が依存する変数の確率密度関数を f(x1, …, xn) とすると、依存関係は y = g(x1, …, xn) で表される。このとき得られる確率密度関数は[要出典]


となる。ただし積分は添え字の方程式の (n − 1) 次元の解全体を渡り、記号 dV は実際の計算にはこの解のパラメータ化に置き換えなければならない。変数 x1, ..., xn はもちろんこのパラメータ化の関数である。

これからより直感的な表現が導かれる。x を結合密度 f の n 次元確率変数とする。H を全単射微分可能な関数として y = H(x) であるならば、y は密度 g を持つ:


ここで微分は H の逆関数のヤコビ行列の y における値である。

独立性を仮定してデルタ関数を用いると、以下の様に同じ結果が得られる。

独立な確率変数Xi, i = 1, 2, …nの確率密度関数がfXi(xi)で与えられる時、Y = G(X1, X2, …Xn)の確率密度関数を計算できる。次の式は、Yの確率密度関数fY(y)とfXi(xi)をデルタ関数で結合するものである。

2つの独立な確率密度関数UとV(それぞれが確率密度関数を持つ)の和は両確率密度関数の畳み込みで表される。


この関係は、N個の独立な確率変数U1, …, UNの和に拡張できる。


これは下記に示す独立変数の商の場合と同様に、2通りの変数変換Y=U+VとZ=Vから導かれる。
 2つの独立な確率変数UとVがそれぞれ確率密度関数を持つ時、積:Y=UV、商:Y=U/V を変数変換に依って計算することができる。

2つの独立な確率変数UとVの商Y=U/Vは、次の様に変換される。



この時、結合密度p(Y,Z)はU,VをY,Zに変数変換することで計算でき、Yは結合密度からZを捨てる(英語版)事で導出できる。

その逆変換は、



である。

この変換のヤコビ行列 は、


である。

従って、


となる。

Yの分布はZの追い出し(英語版)に依って、


と計算される。

この手法で U, V を Y, Z に変換する時に不可欠な条件が全単射である。上記の変換は Z が V に直接逆写像され、与えられた V について U/V が単調写像であるので条件に適合している。これは、和:U + V、差:U − V、積:UV においても同様である。

独立確率変数の積の他の関数についても全く同じ手法で計算することができる。

2つの標準正規分布変数UとVについて、その比(商)は次の様に求められる。

まず、変数はそれぞれ下記の密度関数を持つ。



これを先に述べた様に変換する。



これから、


が導かれる。これは、標準コーシー分布である。

 

 

 

生物なしにウイルスは存在し得ないのか

「地球上に生命の起源が常に存在する」という前提においてこの条件付き開放系を用いた実験は有効であると思える。つまりウイルスが「細胞様のもの」若しくは「系」を作りだすか。ウイルスは少なくとも「機能を持った「体」」だ。それは派生していると。いえる。「物理的な体」ではあると思う。つまり「脚」や「腕」は持っている。「内臓」は無いとしても。

酵素ターゲットプローブ

酵素によって切り出される化合物は、蛍光分子でなくともかまいません。たとえば、光をあてると毒性物質を出す光増感剤を一旦不活性な状態にして、がんの部分でだけ活性化させるように設計することで、光を当ててがんを死滅させる光線力学療法を達成できる可能性があります。また、酵素の働きを利用して抗がん剤活性をコントロールできるような治療薬も考えられます。蛍光でがんを発見し、それと同時に治療ができるようになれば、がんという未だ手強い病気をこれまで以上に制圧できるようになるのではないでしょうか。