18世紀後半、科学者のジョン・ミシェルは、星が非常に大きく、その重力が非常に強く、その脱出速度が光の速度に相当するとどうなるかを考えました.彼は、放出された光は内側にリダイレクトされ、星が見えなくなると結論付けました。彼はこれらの架空の天体を暗黒星と呼んだ.
ミシェルの 1784 年の論文は、1970 年代に再登場するまで、静かに曖昧なままでした。それまでに、理論物理学者はブラック ホールについてよく知っていました。ダーク スターのアイデアは、アルバート アインシュタインの重力理論に翻訳されました。ブラック ホールには、イベント ホライズンと呼ばれる境界があり、これは後戻りできないポイントと、内部の無限密度のポイントである特異点を表します。
しかし、アインシュタインの世界の記述は量子力学と矛盾しており、物理学者はこの 2 つを調和させるために量子重力の完全な理論を探し求めています。超弦理論は有力な候補であり、さらに別の可能性を示しています。ブラック ホールは、特異点も事象の地平線もない「ファズボール」として再考される可能性があります。むしろ、事象の地平線として想定されていた範囲内の領域全体は、絡み合ったひもの玉です。ひも理論によれば、これらのエネルギーの基本単位は、さまざまな複雑な方法で振動し、時空とその中のすべての力と粒子を生じさせます。事象の地平線の代わりに、ファズボールは星や惑星に似た「ぼやけた」表面を持っています。
オハイオ州立大学のひも理論家であるサミール・マチュールは、ファズボールがブラック ホールの真の量子記述であると信じており、この概念を拡張した彼自身の自称「ファズボール予想」の声高な擁護者になっています。彼のバージョンのファズボールは、ブラック ホールの古典的説明と量子的説明を調和させるという複雑な問題を解決する潜在的なメカニズムを提供します。しかし、それを機能させるには、物理学者は特異点と事象の地平という長年の概念を放棄する必要があります。これは、多くの人が望んでいない犠牲です。
エントロピーの欠落
Mathur の研究は、ブラック ホールの量子特性を計算する試みと、ブラック ホールに陥った情報に何が起こるかについてのパラドックスを解決するための進行中の闘争から生まれました。どちらの問題も、1970 年代にスティーブン ホーキングが主張した、ブラック ホールは真の黒ではないという主張から生じています。量子力学の癖により、「ホーキング放射」と呼ばれる少量の熱を放射するため、温度があります。ブラック ホールに温度がある場合、エントロピーがあるはずです。エントロピーは、特定のシステムにどれだけの無秩序が存在するかの尺度としてよく説明されます。すべての物理オブジェクトにはエントロピーがあり、熱力学の第 2 法則に従って、エントロピーは常に増加する必要があります。しかし、一般相対性理論によって記述されたブラック ホールの滑らかで特徴のない図は、その量子力学的記述の重要な特徴であるエントロピーを説明していません。
オブジェクトのエントロピーは、マイクロステートによって記述されます。これは、同じマクロスケールのオブジェクトを実現するために原子を再配置できる方法の数です。スクランブルエッグの原子は一見無限の方法で動き回ることができるため、スクランブルエッグは壊れていない卵よりもエントロピーが大きくなります。対照的に、壊れていない卵の明確な黄身と白身は、原子レベルの再配列の可能性を制限します.
ブラック ホールは、熱力学の法則から除外されません。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者であるジョセフ・ポルチンスキーは、「エントロピーは原子の[可能な]状態を数えることから得られます。 「そのため、ブラック ホールは、数えられる状態を持つある種の原子構造を持っているはずです。」問題は、1 つのブラック ホールには、数千のスクランブルエッグよりもはるかに多くの可能な状態があることです。そのスケールでエントロピーを測定するために必要な計算は、本当に困難です。ただし、ブラック ホールのエントロピーがその周囲の事象の地平線のサイズに比例することを示した 1972 年に Jacob Bekenstein によって考案された式を使用して、状態の数を推測することは可能です。
定義上、ブラック ホールの内部を見て、可能な状態を数えることはできません。しかし、ひも理論のコンテキスト内では、ブラック ホールの原子構造はひもと膜の形をしており、原子と同様に、さまざまな方法で配置することもできます。エントロピーが Bekenstein の式で求められるエントロピーと等しくなるように、ブラック ホール内で文字列がどのように配置されるか想像できます。
物理学者は、これらの計算を実行するために、さまざまな調整可能なおもちゃのモデルを採用する必要があります。 「ひも理論では、ブラック ホールがもはや黒くなく、内部に [ひもと] ブレーンが見える「ノブ」があります」と Polchinski 氏は述べています。これらの無重力モデルにより、マイクロステートのカウントが可能になります。しかし、重力がオンに戻ると、すべてが再び黒くなります。対照的に、Mathur のファズボール予想では、重力を排除しないモデルのマイクロステートの数を計算できます。
南カリフォルニア大学のひも理論家であるニック・ワーナーの見解では、ファズボールはブラックホールよりも中性子星のようなものであり、特異点や事象の地平線を持たない非常に密度の高い物質の状態です。中性子星の存在は、物質が非常に緊密に押しつぶされて個々の電子が同じ量子状態を占有することを余儀なくされたときに生じる斥力によるものです。これは、量子力学で明示的に禁止されていることです。
ワーナー氏によると、ひも理論にも同様のメカニズムがあり、それによって、押しつぶされた電子の代わりに、質量のない場が外向きの圧力を提供します。ファズボールの表面に落ちた弦が結合して、より大きく、より複雑な弦を形成します。短いギター弦よりも長いギター弦をはじく方が簡単なのと同じように (固有の張力のため)、弦が結合して長いストランドを形成すると、より大きな直径に拡張しやすくなります。それらは「膨らみ」、特異点を防ぐのに十分な外向きの圧力を提供します。それらは「物質の新しい状態への相転移によってブラックホールの形成を防ぎます」とワーナーは言いました。単純なファズボール モデルでマイクロステートの数を計算することにより、Bekenstein によって計算されたエントロピーと一致させることができます。これは有望な最初のステップです。
Mathur が正しく、彼のファズボール予想が失われたエントロピーを説明できたとしても、これは悪名高いブラック ホール情報のパラドックスの複雑な問題を解決するものではありません。
地平線の問題
Mathur のファズボール予想は、ホーキング放射のもう 1 つの結果である、このパラドックスに対する彼の長年の魅力に基づいて進化しました。ホーキング博士は、量子力学によれば、空の空間の真空でさえ、真に空ではないことに注意しました。それは量子場からのエネルギーでパルスし、絡み合った仮想粒子のペアを生成します — 物質と反物質、または思考実験で一般的に呼ばれる「アリス」と「ボブ」。仮想粒子のペアは、常に出現しては消滅しています。しかし、そのような仮想粒子ペアがブラック ホールのイベント ホライズンに出現した場合、ペアの半分 (アリス) が消滅する前に落下し、もう一方 (ボブ) が外に出る可能性があります。ブラック ホールが放射線を放出しているように見えます。
ボブ粒子が飛び去ると、ブラック ホールの全体的な質量が減少します。十分な時間があれば、存在しなくなります。これが起こると、ブラックホールに落ちた物質に以前含まれていた情報も消えてしまい、情報が保存されなければならないという量子力学の基本法則に違反します.したがって、重力の法則は、量子力学の法則に違反しているように見える状況を予測します。物理学者はこのパラドックスをめぐって 40 年間戦ってきました。ポルチンスキーは、ホーキング博士の当初の前提について、「本当に大変だった」と語った。 「『量子力学が修正されました。私の間違いを見つけてください。」そして、誰も彼の間違いを見つけませんでした。」
Mathur はパラドックスを 2 つの重要な要素に要約します。 1 つ目は、事象の地平線の領域は真空であり、構造を欠いているという一般相対性理論の主張です。または、ジョン ウィーラーがかつて言ったように、「ブラック ホールには髪の毛がありません」。そう考えるには十分な理由があります。地平線に置かれたダスト、ガス、または素粒子はブラック ホールに落ち、以前と同じ真空状態になります。
しかし、これはパラドックスの 2 番目の要素を引き起こします。地平線に真空がある場合、ホーキング放射が発生する必要があり、ブラック ホールは時間の経過とともに蒸発します。 「地平線を作った瞬間、ホーキング情報の問題が発生します」とワーナーは言いました。マチュールが、結局ブラックホールには毛があるに違いないと主張するのはそのためです。ブラックホールに落ちる情報を保存する手段を提供するため、地平線には構造がなければなりません.
Quanta Magazine の David Kaplan、Petr Stepanek、MK12。スティーヴン・グーテインツによる音楽
ビデオ: この 2 分間のビデオでは、ブラック ホールが、一般相対性理論と量子力学の間の明らかな矛盾をどのように解明しているかを示しています。
ファズボールはその構造を提供します。それらは、従来のブラック ホールのような空の穴ではありません。むしろ、文字列がぎっしり詰まっています。それらは、他の星や惑星と同じように表面を持っています。そして星や惑星と同じように、それらは放射線の形で熱を放出します。 Mathur が単純なファズボールから放出される放射線のエネルギー スペクトルを計算したとき、彼はそれがホーキング放射線の予測と正確に一致することを発見しました。したがって、ファズボール予想では、情報のパラドックスは錯覚です。事象の地平線がないため、情報は事象の地平線を超えて失われることはありません。
ブラック ホールはどれも似通っていますが、Mathur の考え方ではファズボールは独特であり、少なくとも理論的には、物理学者がファズボールをそれを作成した初期条件までさかのぼって追跡することが可能になります。ファズボールが蒸発すると、その中の情報がホーキング放射にエンコードされて運び去られます。
ファズかファイアか
地平線に構造がなければならないというマチュールの主張は、すぐには受け入れられませんでした。しかし、3 年後、ポルチンスキーと 3 人の共著者が関連する思考実験を発表しました。著者らは、ブラック ホールの事象の地平線の周りですべてが同時に成り立つわけではない、物理学における 3 つの中心的な概念を特定しました。このいわゆるファイアウォールのパラドックスを解決するには、1 つを放棄する必要があります。
まず、一般相対性理論によれば、アリスはブラック ホールの事象の地平線を横切るとき、何の異常にも気付かないはずです。第二に、量子力学は情報が失われてはならないことを要求します。最後に、局所性の原則により、アリスは自分のすぐ近くの環境からのみ直接影響を受ける可能性があることが要求されます。ポルチンスキーと彼の共著者は、情報と局所性の両方を維持するために、「ドラマがない」条件を犠牲にしなければならないと主張した.事象の地平線には火の輪、つまりファイアウォールがあるはずです。
ファイアーウォールのパラドックスは、事象の地平線における構造の可能性に注意を喚起した — ワーナーのようなひも理論家にとっては皮肉なことだ。 「私たちはそれを約10年間叫び続けてきました」と彼は言いました。彼は、中心的なファイアウォールの議論は、基本的にマチュールの議論にいくつかの追加の装飾を加えたものであると主張しています。ファイアウォールは、本質的に熱いファズボールです。 「私たちは同等性をあきらめているのではなく、特異点も地平線もないと言っているのです。それは、いくつかのファズに蓋をするだけです」と彼は言いました。 「ファイアウォールとは、単純に、これが熱くなる可能性があるという事実です。ファイアウォールの話がどこに行くのか、興味があります。私の意見では、それは熱いファズボールであり、それで終わりです。」
Polchinski は、彼と彼の共著者が、自分たちの論文が Mathur の以前の研究にどれだけ基づいているかを最初は認識していなかったことを率直に認めています。その後、適切なクレジットが与えられて改訂されました。しかし、Polchinski は、ファイアウォール ペーパーがパラドックスをより深刻にし、問題を最も劇的な方法で結晶化させていると述べました.
一般相対性理論によれば、アリスはブラック ホールの事象の地平線を横切る際に異常に気付くことはありません。ポルチンスキーと彼の共著者は、彼女が火の壁に到達するとすぐに燃え尽きると仮定しています。彼女がファズボールに陥ったらどうなりますか？確かなことは誰にもわかりませんが、ファズボールは思ったほど抱きしめたくないかもしれません。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者で、ファイアウォールの論文の共著者の 1 人であるドン マロフは、アリスが地平線で引き裂かれるか、ファズボールの表面にドスンとぶつかっただけかもしれないと考えました。
あるいは、アリスは何も悪いことに気付かないかもしれません。 Mathur の最新の論文 — 科学プレプリント サイト arxiv.org に先週投稿されたがまだ査読されていない — で、彼は、宇宙飛行士がブラック ホールに捕らえられる可能性があると主張している「ファズボール補完性」。 Mathur のシナリオでは、ブラック ホールはコピー マシンのように振る舞います。ひもでできたアリスがブラックホールの表面にぶつかる。彼女の構成弦は他の弦と結合して、元の弦の特徴を保持した長い弦を形成します。 Alice の文字列のおおよそのコピーが作成されます。
しかも、打った時の衝撃で毛羽立った面が振動する。 Mathur は、これらの振動の周波数スペクトルを計算し、アリスが気づかずにブラック ホールの地平線を通り過ぎた場合に見られると予想されるものと数学的に同一であることを発見しました。 Mathur はそれを、グランド ピアノと電子キーボードが、音を生成する根本的なメカニズムが大きく異なるにもかかわらず、同じ音を演奏する方法になぞらえています。 「同じ一連の現象が、2 つの明らかに異なるものによって記述されます」とワーナーは言いました。したがって、ファズボールに衝突することは、「[ブラック ホールに] 落ちることと大差ないかもしれません」。
多くの物理学者は、ファズボールの概念に懐疑的です。ワーナーは当初、自分自身をその中に数えていました。 「私はガリラヤの良いことをし、それを殺すために問題に関与しました」と彼は認めました.代わりに、彼は改宗者になりました。彼は、一般相対性理論と量子力学をぎこちなくつなぎ合わせようとするのではなく、物理学者が 30 年間の超弦理論から学んだことを利用しているため、Mathur のアプローチを好んでいます。 「私たちはそれを40年間試みてきました」と彼は言いました。 「うまくいきません。」
しかし、彼はそのイメージが不完全であることを認めています。ファズボールは、ゼロ温度の非常に理想化されたタイプのブラック ホールのおもちゃモデルのコンテキストで予想される予測と一致します。つまり、ホーキング放射がなく、情報を取得するための重要な要素であるブラック ホールが蒸発しないということです。このようなモデルは、ファズボール構造でデータをエンコードすることにより、情報を格納するメカニズムを提供します。しかし、情報のパラドックスは「保管とリサイクルの両方の問題であり、リサイクルのメカニズムはありません」とワーナー氏は述べています。次のステップは、私たちが宇宙で（間接的に）観測するブラックホールに一致する、より現実的なモデルに概念を拡張することです. 「絶望的ではありません。ただ気が遠くなるだけです。」
ファズボールも余分な次元を必要とし、ひも理論が量子重力の正しい理論であるという仮定に基づいていますが、そうでない場合もあります。 Mathur は、彼のファズボール予想が情報パズル (少なくとも弦理論では) を完成させ、ひいてはファイアウォールのパラドックスを完成させると今でも主張しています。ポルチンスキーは断固として不可知論者であり続けます。すべてが議論の余地があります。」 Marolf に関して言えば、ファイアウォールがパズルを解決する唯一の手段ではないことを認めながら、彼はファイアウォールのそばに立っています。 「サミールがパラドックスの解決策を持っていると言うなら、彼は言語的に正しい。彼はまた良い仲間です」とマロフは言いました。 「パラドックスに決着をつけた人はたくさんいます。それが私たちの宇宙で物理学が実際に機能する方法であるかどうかは、まだわかりません。」
