2001:A Space Odyssey でワームホールを通る旅が最初に描かれて以来 50 年前、それらのアイデアは大衆の想像力を捕らえました。そして不思議なことに、それらは宇宙旅行の究極の形であり、銀河を一瞬で横切る方法です.
しかし、ワームホールは SF の定番となっている一方で、科学者の間では果てしないフラストレーションの源となっています。アイデアがばかげているからではなく、そうではないからです。驚くべき事実は、ワームホールが現在の重力理論の自然な結果であり、80 年以上前にアインシュタイン自身によって調査されたということです。それ以来、研究者たちは、そのような奇妙な理論的可能性が現実になるかどうかを調べようとしてきました.
そして今、彼らは大きなブレークスルーを達成しました。それは、空間と時間の性質と素粒子の世界の法則との間の深いつながりを利用するものです。その結果、現実のワームホールを作るために何が必要なのかについて、新たな理解が得られます。
アインシュタインは、1935 年に同僚のネイサン ローゼンと共に、一般相対性理論として知られる彼の重力理論を使用して、ワームホールの特性を最初に調査しました。彼らは、私たちが現在ブラックホールと呼んでいるものは、チューブのような「喉」を介して別のブラックホールに接続できることを発見しました.現在アインシュタイン・ローゼン橋と呼ばれているこの橋は、宇宙の一部にあるブラック ホールに入り、おそらく数百万光年離れた別のブラック ホールから出現する、空間と時間をショートカットする道を開くように見えましたが、数百万年もかかることはありませんでした。そうすることで、事実上光速よりも速く移動します。
これは驚くべきアイデアでしたが、1960 年代初頭に、「ブラック ホール」と「ワームホール」という用語を最初に作り出した優秀な米国の物理学者、ジョン ウィーラーによって深刻な打撃を受けました。仲間の理論家であるロバート・フラーと共に、彼はアインシュタイン・ローゼン橋が形成されるとほぼ同時に崩壊することを示しました。ハーバード大学の物理学准教授であるダニエル・ジャフェリス博士は次のように説明しています。
Jafferis は、この問題を回避する方法を模索している世界中の理論家のエリート グループの 1 つです。何年もの間、最も有望なアイデアは、負のエネルギーを持つ一種の「エキゾチック物質」を使用して橋を支えることでした.その名前が示すように、これはかなり奇妙なものです。非常に奇妙で、通常の重力のルールを曲げることができます。通常の物質は常に引力を生成しますが、このエキゾチックな物質によって生成される負のエネルギーは、反重力斥力を生成します。驚くべきことに、そのようなエネルギーが存在することが知られています。 1990 年代、天文学者は宇宙全体がいわゆる「暗黒エネルギー」の反重力効果の下で膨張していることを発見しました。ただ 1 つ問題があります。暗黒エネルギーの正確な起源はまだわかっていません。同じことが風変わりな問題にも当てはまります – ものを作成する方法を誰も知りません。ましてや、それを使用して、ワームホールを十分に長く開いたままにしておくことはできません.
ワームが変わりました
しかし今、そのようないわゆる通過可能なワームホールに関する議論は、急進的な新しい方向に進んでいます。これは、ワームホールと量子論 (素粒子世界の法則) の間の驚くべき関連性に基づいて、ブリッジを無傷に保つ新しい方法の発見に続くものです。これは、故スティーブン・ホーキング博士を含む、現代の最も偉大な理論家の何人かを悩ませてきた問題を解決しようとしているときに現れました:ブラック ホールに落ちた物体はどうなるでしょうか?
ブラック ホールは一度内部に入ると、そこから逃れることはできないことは誰もが知っています。重力の引力は、光でさえもそのクラッチを回避するには強すぎます。しかしホーキング博士は、ブラック ホールが永遠に続くわけではなく、最終的に爆発して強烈な放射線を放出し、そこに落ちたものの痕跡を残さないことを示したことで有名です。
問題は、これが、情報は決して破壊できないという量子論の重要な原則の 1 つと矛盾していることです。しかし、ブラック ホールは、消費したものに関する情報を完全に破壊する能力が非常に高いようです。これは悪名高い「ブラック ホール情報のパラドックス」であり、宇宙の仕組みに関する理解に大きな隔たりがあることを示唆しています。
何十年もの間、ホーキング博士をはじめとする多くの人がパラドックスを解決しようと試みましたが、成功しませんでした。しかし今、答えが見つかったという興奮が高まっています。そしてそれは、ブラック ホールから抜け出す方法を提供するワームホールの能力にあります。簡単に言えば、理論家たちは、ブラック ホールの避けられないと思われる境界、いわゆる事象の地平線には、ホーキング博士がブラック ホールを破壊することを示した放射とともに、情報が浸透することを可能にする小さなワームホールがたくさんあると考えています。これにより、ワームホールの性質と、ワームホールを通過できるかどうかについての新しい洞察が得られました。
これまで、ワームホールを通過する唯一の既知の方法は、エキゾチックな物質の負のエネルギーを使用してアインシュタイン-ローゼン橋の崩壊を止めることでした。 「量子効果は、いくらかの負のエネルギーを許容します」と Jafferis は説明します。 「しかし、通過可能なワームホールに必要なものは物理的に不可能であると長い間疑われていました。」
現在、ジャフェリスと彼の同僚であるピン・ガオ博士とアロン・ウォール博士は、別の情報源を発見したと考えています。 「私たちが見つけたのは、通過不可能なワームホールの両端にある [ブラック ホール] 間の直接的な相互作用が負のエネルギーにつながる可能性があるということです」と Jafferis 氏は言います。結果として生じる反重力効果は、アインシュタイン-ローゼン橋の崩壊を防ぎ、ワームホールを通過できるようにします。
Jafferis と彼の同僚が「直接的な相互作用」と言うとき、ワームホールの口を形成する 2 つのブラック ホールが現実の通常の空間を横切って互いに影響し合っていることを意味します。 「互いのホーキング放射を消費する連星ブラック ホール システムが良い例です」と Jafferis 氏は言います。 「放射線の消費は直接的なつながりです。」
もつれ
良いニュースは、通過可能なワームホールが実際に存在する可能性があるということです。さらに良いことに、Jafferis によれば、少なくとも原則として、それらの 1 つを介して人間を送ることに問題はありません。しかし、当然のことかもしれませんが、克服すべき大きな問題がいくつかあります。
まず、ブラック ホールは、巨大な星の崩壊した残骸から形成された標準的なタイプだけではありません。それらは「最大限に絡み合う」必要があります。これは、2 つのオブジェクト間に存在する可能性のある奇妙な量子接続を指します。そのため、オブジェクトがどれだけ離れていても、一方に対して行われた操作は、即座に他方に影響を与えます。
負のエネルギーのように、量子エンタングルメントという奇妙な現象が実際に存在します。約 40 年前に研究室での実験で初めて検出され、現在は Google などの企業が超高速の量子コンピューターを作成するために調査しています。しかし、亜原子粒子は実験室で比較的簡単に絡ませることができますが、ブラックホールで同じことをする方法は誰も知りません. 「正確に量子もつれのあるブラック ホールは言うまでもなく、絡み合っていないブラック ホールを作ることさえできません」と Jafferis は説明します。
しかし、2 つのブラック ホール間の直接的な相互作用には問題があります。それは、驚くべきタイム トラベルのトリックを禁止することです。しかし、それでも光速を超えた移動は可能でしょうか?それはトリッキーな質問です、と Jafferis は言います。重力、空間、時間はすべて密接に関連しており、それが速度の概念そのものを台無しにしています。 Jafferis 氏によると、これまでに研究されたワームホールの種類に基づく計算では、ワームホールを使用すると、単に宇宙を直接移動するよりも実際に遅くなることが示唆されています。ただし、詳細はまだ完全には解明されていないことを彼は認めています。そのため、サイエンス ファクトはまだサイエンス フィクションに少し遅れをとっているようです。自然の法則は、ワームホールが驚異的な偉業を成し遂げるが瞬時に崩壊するか、通過可能であるが役に立たないかのいずれかであると主張しているようです.
しかし、自然は理論家たちに何度も大きな驚きをもたらしてきました。ブラックホールの単なる可能性は何十年にもわたって論争され、アインシュタイン自身は量子もつれを信じることを拒否しました.宇宙のどこかに、奇跡を起こしている自然のワームホールがあるのでしょうか?
科学ですか、SFですか?
現実のワームホールを観察する可能性は、現在、数学とコンピューター モデルを組み合わせて使用する理論家による研究の焦点となっています。課題は、通常のブラック ホールとワームホールのポータルであるブラック ホールの違いを見つけることです。インドのムンバイにあるタタ基礎研究所の重力理論家であるラジブル・シェイク氏によると、その答えは、周囲に影響を与える方法、特に光の挙動の微妙な違いにある可能性があります。 「アインシュタインの一般相対性理論で予測されたように、光子は重力場で曲げられます」と彼は説明します。
ブラック ホールの強烈な重力により、ブラック ホールの周りに信じられないほど熱く明るい降着円盤が作成されます。これらの円盤の見えないホストは、それらに投じられる真っ暗な影としてその存在を明らかにします。ブラックホールが実際にはさらに奇妙なものであることを明らかにできるのは、この影の形です. Shaikh によると、ワームホールの明確な兆候は、ワームホールの喉が影に及ぼす重力の影響から来ています。
「私が見つけたのは、ゆっくりと回転するワームホールの影の形が、ゆっくりと回転するブラック ホールによって投じられるほぼ完全な円盤のような影と非常によく似ているということです」と彼は説明します。 「しかし、より高速に回転するワームホールは、同じ回転のブラック ホールの影よりも歪んだ影を落とします。」
彼は、研究はまだ進行中であることを強調し、これまでの結果は特定のタイプのブラック ホールとワームホールに基づいています。 「私が検討したタイプの回転するワームホールが最も一般的であるという保証はありません。」
しかし、シェイクは、天文学者はワームホールの周囲に存在すると予測される影響を検出する手段をすでに持っていると指摘します。イベント ホライズン テレスコープ (EHT) として知られるこの望遠鏡は、ブラック ホールやワームホールの研究を行うことができる無線アンテナのグローバル ネットワークで構成されています。 「そして、すでにデータの取得を開始しています」と Shaikh 氏は言います。映画のスクリーンに登場してから半世紀後、時空のワームホールは単なる SF 以上のものになりつつあるのかもしれません。
- この記事は、BBC Focus Magazine の第 322 号に最初に掲載されました
