1989 年、有名な物理学者で「ブラック ホール」という用語の普及者であるジョン ウィーラーは、宇宙について根本的に新しい考え方を提案しました。量子粒子は形を変えて消えてしまうかもしれませんが、私たちはいつでも情報を頼りにすることができます。つまり、測定を通じて質問をすると答えが明らかになります。ホイーラーは、何かが存在するか存在しないか、上か下か、0 か 1 かなど、情報のビットが現実の基本的な要素である可能性があると推測しました。 「すべての物理量、すべての it は、その最終的な重要性をビット、バイナリの yes または no の指示から導き出します」と、彼は「ビットからの it」宇宙を想像するエッセイに書いています。
それ以来数十年にわたり、さまざまな抽象的発展により、多くの物理学者はホイーラーの論文が深遠なパズル、つまり重力の量子的性質を解き明かすことができるかどうか疑問に思いました。アルバート アインシュタインの一般相対性理論は、重力を時空の構造と統合し、重力を宇宙の湾曲した輪郭に沿って落下する物体として再解釈しました。しかし、量子論は、粒子と場の言葉でこれらの曲線を説明するのに苦労しています。衝突はブラック ホールに完全に表れています。ブラック ホールは空間をひどく変形させるため、重力のより基本的な量子的性質は無視できません。
ブラック ホールの表面積がその体積よりも重要であるというヒントは、1998 年に驚くべき発見につながりました。アンチ デ シッター (AdS) 空間と呼ばれる鞍のように曲がるおもちゃの宇宙は、数学的にその低次元の境界に相当します。この架空の世界では、ホログラムの深さのように、内部を指す方向が幻想的に見えます。
理論家は、AdS 空間でブラック ホールやその他のオブジェクトを研究する際に、ウィーラー風の教訓を学び続けています。 1 つは、空間の接続性 (ある場所から別の場所に移動する能力) が、量子エンタングルメントとして知られる相関によってリンクされた境界上の粒子に由来するように見えることです。たとえば、1 つの粒子が上を向いている場合、これは絡み合っているパートナーが下を向いていることを示します。このような AdS スペースの境界での情報共有が、内部のボリューム構造を可能にしているように見えます。
ペンシルバニア大学の Vijay Balasubramanian は、Wheeler の崇高なアイデアを鮮明な数学に変換しようとしている物理学者の 1 人です。彼と彼の同僚が取り組んでいる研究は、現在、「量子ビットから」というスローガンで進んでいます。これは、量子ビットまたはキュービット (0 と 1 の複雑な組み合わせ) が従来のビットよりも一般的であるためです。 1999 年、Balasubramanian は、境界上の粒子に関する情報に関して、AdS 宇宙の質量とエネルギーを計算する方法を考え出しました。それ以来、さまざまなシステムの情報内容を研究することで、ブラック ホールと量子重力の理論に根本的な貢献をしてきました。
Balasubramanian は、会話の途中で物理学からプルーストに飛びつく傾向がある遊び心のある博識家であり、世界の物理的特徴が脳をどのように彫刻したかを詳細に説明する Penn の 2 番目の研究グループ全体を指揮しています。神経科学においても、彼は情報と計算の概念が自然言語を提供することを発見しました.
クォンタ マガジン 最近、Zoom で Balasubramanian とつながり、物理学と神経科学における情報の役割と、人間の認知の限界について話しました。インタビューは、わかりやすくするために要約および編集されています。
あなたは物理学の最も扱いにくい問題のいくつかにキャリアを費やしてきました。実際に進歩は進んでいますか？
過去 20 年間の開発は非常に大きなものでした。重要な進歩の 1 つは、サドルのように曲がる宇宙 (AdS 空間) が理解されたことです。この宇宙では、重力はよく知られているがあまり理解されていない方法で機能しますが、厄介な重力から解放された低次元の世界と同等と見なすことができます。これは有名な AdS/CFT 双対性です。この概念は、空間が基本的ではないという可能性を開きます。むしろ、それは緊急の可能性があります。私の仕事の多くは、スペースを含まない理論を開発することに関係しています。
ごく最近、放射する粒子を測定することで、ブラック ホールの地平線の背後を見ることができるかどうかについて、素晴らしい進歩がありました。この粒子には、以前に落ちたものについての暗号化されたメッセージが含まれている可能性があります。
ブラック ホールと AdS/CFT によって、情報が宇宙の基礎になる可能性があるという考えにどのように導かれますか?
量子力学にはユニタリティという性質があり、ミクロレベルでは情報が破壊されないことが保証されています。しかし、スティーブン ホーキングは、ブラック ホールが蒸発すると情報が破壊されると計算し、パラドックスを生み出しました。情報の破壊から生じる重力と量子力学の間に緊張があります。
また、無知または情報の欠如の尺度であるブラック ホールのエントロピーは、ブラック ホールの表面積に等しいこともわかっています。明らかに、面積、エントロピー、情報をリンクする何かが起こっています。あなたはそれを感じることができますが、それが何であるかわからないので、人々はそれについて何を言うべきかを探し回っています.
私たちが見ているのは、AdSユニバースのボリューム内の空間構造が境界でどのように現れるかです.たとえば、空間が基本的なものではない場合に、物体を宇宙内の点 A から点 B に移動できるとはどういう意味ですか?現在、空間ボリューム内の 2 つの領域が接続されている場合、「フラットな世界」の境界では、対応する変数が量子的に絡み合っているという議論があります。つまり、お互いに関する情報が含まれています。一方を測定すると、もう一方について何かがわかります。これは非常に美しいアイデアであり、Wheeler の it-from-bit の概念を具体的に実現したものです。量子情報のこれらのビットがもつれによって接続されていなければ、スペースはありません。
あなたは、私たちの 3D 宇宙が、ある平らな土地で絡み合った 1 と 0 によって生成された目の錯覚である可能性があると言っていますか?
それについて文字通り考えるのは完全に公平です。しかし、このアイデアをどこまで取り入れられるかについては、議論が続いています。
あまり文字通りではない解釈は?
今の段階で言うのは難しいです。難しさの一部は、空間が出現するために何を意味するかについての語彙が必要なことです。私たちの視点から見ると、空間は素晴らしく滑らかに見えますよね? A と B の間に滑らかな線を引くことができれば、A と B は空間的につながっていると言えます。しかし今、顕微鏡を使って小さな領域を見たとします。間近で見ると、量子力学のすべてのものと同様に、空間自体が狂ったように変動し、跳ね返り、引き裂かれていると予想するあらゆる理由があります。その場合、A が B の隣にあるとはどういう意味ですか?
私たちの想像力は、大きな動物としての私たちの日常の経験と密接に結びついているため、空間のより微妙なアイデアに喜んで心を開かなければなりません.しかし、20 年前に誰かが私にこのことについて話すことさえできると言っていたら、私はチャンスがないと答えたでしょう。おそらく、あと 20 年以内に、あなたの質問に対する答えが得られるでしょう。
実験で量子重力を調べることはまだできません。実験に縛られていないときに、奇抜なアイデアが機能していることをどのように判断できますか?
それが問題です。自然法則の数学的一貫性は、抜本的な制約です。一連のルールに同意した場合にできないことがどれだけあるかを、人々は理解していないと思います。
仮定を取り除くと、理論物理学が進歩することがあります。ルールと一致する一連の理論を導き出し、それらの理論が、本来あるべきと考える現象を説明していない場合、そのルールに疑問を呈することは完全に公平です。
たとえば、昨年、私は何人かの同僚と一緒に、重力のある 2 つの宇宙を絡ませるとどうなるかを研究しました。 2 つのユニバースが接続されていないとします。それらはバラバラです。アインシュタインの宇宙像では、A から B への経路がなく、バラバラな宇宙が完全に切り離されている必要があります。しかし、私たちはその仮定を修正しました。私たちは、量子重力の激しい変動がつかの間の接続を確立できるようにしましょうと言いました.それは理にかなっています!
この微調整により、計算が機能することがわかりました。量子重力における計算のルールにより、切断された宇宙が瞬間的にリンクされることに同意すれば、明らかな情報のパラドックスを回避できます。
物理学における情報ファーストのアプローチで他に何ができるでしょうか?
私はかつて「バベルの図書館：重力熱力学の起源について」という論文を書きました。この名前は、ナンセンスに見える本でいっぱいの不思議な図書館についてのホルヘ・ルイス・ボルヘスの短編小説に触発されました。最終的に、図書館員は、この図書館に考えられるすべての文字列が含まれていることに気付きます。ほとんどすべてのシーケンスは基本的にランダムですが、たまに誰かの人生の実話があります。
ブラック ホールが含まれる情報を整理する方法のコレクションは、このライブラリのようなものであると主張しました。本のように、ブラック ホールの「マイクロステート」は、その微視的な断片のほぼランダムな組み合わせで構成されています。情報は保持されますが、回復することはほぼ不可能です。
別の機会に、何もない泡を調査しました。次元が多すぎる特定の宇宙では、余分な次元を押しつぶすと、これらの宇宙が不安定になり、内部にスペースのない泡ができます.
私はこの何もないことに非常に興味を持っていました。 AdS/CFT の言葉を借りれば、平らな世界の基本的な自由度がもはや絡み合っていないとき、空間の創発的なボリュームに何もない泡が発生します。しかし、それらの [キュービット] はまだフラットな世界にあります。それは何もありません。それは事です。物体は空間を作る正しい方法で絡み合っていませんが、まだ何もない状態の情報があります。
科学的推論との最初の出会いは何でしたか?
私が 2 年生の時、私たちはインドのカルカッタに住んでいて、週末になると野菜を買いに行きました。建物の壁に屋台が建てられたこれらの書店を通り過ぎます。手に入れることができた本を大切にしました。父は地元の店の箱を梱包して小さな本棚を作り、私は一握りの本を並べて数えました。私の人生の野望は、いつか 100 冊の本を所有することでした。
ある日、私はThe How and Why Wonder Book of Famous Scientistsという本を手に取りました .特に、アントニ・ファン・レーウェンフックを思い出します。彼は学位を持っていませんでした。彼は派手な場所で働いていませんでした。彼はレンズグラインダーでした。しかし、彼は知的で好奇心旺盛な男だったので、レンズを使って最初の顕微鏡を組み立て、微視的な生命の全世界を発見しました。これを読んで、科学はできるものだということに気づいたのを覚えています。それは昔からの知恵ではありませんでした。それ以来、私は自分が人生で何をしようとしているのかを知っていました.
あなたはマサチューセッツ工科大学で物理学とコンピューター サイエンスの両方を学びました。なぜ後者なのですか？
私たちが書き留める自然の法則は、私たちが考えることができる思考によって根本的に制約されていると感じ始めていました.猫は微積分を理解できませんし、人間もすべてを理解できるとは限りません。頭の中でコンピューターの限界を理解したかったので、コンピューター サイエンスを学びました。
神経科学者としてのオルタナティブ ライフをどのように始めましたか?
ハーバード大学のポスドク学生として、私はひも理論の主な研究を行いましたが、生物学の研究室でも副業をしていました。私は友人の研究室で夜を過ごし、彼のデータを見たり、論文を読んだりしました。私は高校の生物の授業をすべて退学してしまったので、学ぶことがたくさんありました。
それから私はペンに来て、神経科学者のピーター・スターリングに会いました。彼は私に「なぜこの回路はこのように見えるのですか?」などの質問をしました。または「なぜこのニューロンはそのように見えるのですか?」生物学では形態は機能に従うため、これらは優れた質問です。
脳の形を形作っていると特定した力にはどのようなものがありますか?
ニューラル情報は非常に高価です。それには多くの電力が必要なので、情報をエンコードするためのエネルギー効率の高い方法の理論について考えれば、脳の構造についてわかるはずです.
たとえば、脳には明るい部分と暗い部分を処理するための異なる経路があり、脳は暗い部分により多くのリソースを割り当てます。なぜそれをするのでしょうか？自然画像の統計的構造を見ると、明るいスポットよりも暗いスポットの方が多いことがわかりました。固定予算で人工システムをセットアップする場合、視覚情報を最大化するために必要な光検出器と暗検出器の数を予測する定量的理論を開発しました。そして、あなたは動物に見られるものとほぼ一致することになります.
頭の中のコンピューターの制約についての質問に答えましたか?
神経科学の研究により、コンピューターがこのように構成されている理由についての洞察が得られましたが、物理学を行うための頭の中でのプロセスの限界についてはあまり学んでいないと思います。私はまだそこにたどり着く希望を持っています。これらのより高いレベルのプロセスは、私たちが生き残るために必要な、より基本的なことを転用していると思います。物理をすることよりも、食べることの方がはるかに重要です。
では、微積分を学ぼうとしている猫のように感じますか?バラバラな宇宙のエントロピーは、私たちの認知限界を押し上げていますか?
あなたはそう思うでしょうが、私たちはさらに多くを見つけ続けています！これには真の謎があります。私たちは単純な数学的理論を使用しているだけですが、時空がもつれによって創発的な方法でまとめられているかどうかについて話しているのです。私たちの日常の経験からあまりにもかけ離れているため、ここまで推定できるのはばかげています。
ここに理解すべき問題があります。単純な理論の力は、基本的に私たちが受け取るに値しない贈り物です。
本のコレクションはどうですか?バベルのライブラリを構築しましたか?
妻と私は 2 人目の子供を出産した後、フィラデルフィア郊外に引っ越したいと考えていました。ある日の午後、車でここを出たところ、家が 4 軒ありました。この家に足を踏み入れて、棚でいっぱいのこの部屋を見た瞬間、ここが私たちの家だとわかりました。
今では数百冊の本でいっぱいです。私の妻はここペンシルベニア大学の歴史家なので、本も集めています。そして、子供の頃の絵本を今でもすべて持っています — 犬の耳、拇印、食べ物の跡などすべて。
編集者注:Balasubramanian は、この編集的に独立した雑誌にも資金を提供している Simons Foundation から資金提供を受けています。
