アルバート・アインシュタインが一般相対性理論を開発してから 100 年経った今でも、物理学者はおそらく宇宙で最大の非互換性の問題に悩まされています。アインシュタインが描写した滑らかに歪んだ時空の風景は、まるでサルバドール・ダリの絵画のようで、継ぎ目がなく、途切れることなく、幾何学的です。しかし、この空間を占める量子粒子は、ジョルジュ・スーラの何かに似ています。つまり、確率によって記述された点描、離散です。根本的に、2 つの説明は互いに矛盾しています。しかし、大胆な新しい考え方は、印象派の絵の具の斑点間の量子相関が実際にダリの風景だけでなく、両方が置かれたキャンバスとそれらの周りの3次元空間を作成することを示唆しています.そしてアインシュタインは、よくあることですが、すべての中心に座り、墓の向こうから物事をひっくり返します.
木に刻まれたイニシャルのように、新しいアイデアとして知られている ER =EPR は、1935 年にアインシュタインによって提案された 2 つのアイデアを結合する略語です。 (EPR パラドックス、その著者であるアインシュタイン、ボリス ポドルスキー、ネイサン ローゼンにちなんで名付けられました)。もう1つは、2つのブラックホールが「ワームホール」（ER、アインシュタイン・ローゼン橋）を介して宇宙のはるか彼方までつながっていることを示しました。アインシュタインがこれらのアイデアを発表した当時、そしてその後 80 年間のほとんどの間、それらはまったく無関係であると考えられていました.
しかし、ER =EPR が正しければ、アイデアは切り離されていません。それらは同じものの 2 つの現れです。そして、この根底にあるつながりが、すべての時空の基盤を形成します。スタンフォード大学の物理学者であり、このアイデアの主な設計者の 1 人である Leonard Susskind によると、量子エンタングルメント (アインシュタインを悩ませた距離での作用) は、「空間を縫い合わせる」「空間接続性」を生み出している可能性があります。ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の物理学者、フアン・マルダセナは、サスキンドと共にこのアイデアを発展させました。 「言い換えれば、時空の堅固で信頼できる構造は、もつれの幽霊のような特徴によるものです」と彼は言いました。さらに、ER =EPR には、重力が量子力学とどのように適合するかを説明する可能性があります。
もちろん、誰もがそれを購入しているわけではありません（また、そうすべきではありません。このアイデアは「初期段階」にあると Susskind 氏は述べています）。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のカブリ理論物理学研究所の研究者であるジョー・ポルチンスキーは、ブラック ホールの喉部にあるファイアウォールに関する驚くべきパラドックスが最新の進歩の引き金となったが、慎重ではあるが興味をそそられている。 「どこに行くのかはわかりませんが、今は楽しい時期です」と彼は言いました。
ブラック ホール戦争
ER =EPR に至る道は、M.C.エッシャー。
始めるのに適切な場所は、量子もつれかもしれません。 2 つの量子粒子が絡み合っている場合、それらは事実上、1 つのユニットの 2 つの部分になります。絡み合った粒子の 1 つに起こることは、それらがどれだけ離れていても、もう 1 つの粒子にも起こります。
Maldacena は、例えとして手袋を使用することがあります。右利き用の手袋を見つけたら、すぐにもう一方が左利きであることがわかります。それについて不気味なことは何もありません。しかし、クォンタム バージョンでは、両方の手袋は、観察する瞬間まで、実際には左利きと右利き (およびその間のすべて) です。さらに不気味なことに、左利きのグローブは、右利きのグローブを観察するまで左利きになりません。その瞬間、両方が即座に明確な利き手になります。
エンタングルメントは、ブラック ホールが蒸発する可能性があるという 1974 年のスティーブン ホーキングの発見において重要な役割を果たしました。これも絡み合った粒子のペアが関係していました。宇宙全体で、物質と反物質の短命の「仮想」粒子が絶えず現れたり消えたりします。ホーキング博士は、粒子の 1 つがブラック ホールに落ち、もう 1 つが逃げると、その穴から放射線が放出され、燃え尽きる燃えさしのように輝くことを発見しました。十分な時間があれば、穴は蒸発して何もなくなり、そこに落ちたものの情報内容に何が起こったのかという疑問が生じます.
しかし、量子力学のルールは情報の完全な破壊を禁じています。 (絶望的に情報を混乱させることは別の話です。これが、ドキュメントが焼かれたり、ハード ドライブが破壊されたりする理由です。少なくとも原則として、本の煙や灰の中で失われた情報が再構築されるのを妨げる物理法則はありません。)質問は次のようになりました:最初にブラック ホールに入った情報は、ただスクランブルされるのでしょうか?それとも本当に失われるのでしょうか？この議論は、サスキンドが「ブラックホール戦争」と呼んだものを引き起こし、多くの本を埋めるのに十分な物語を生み出しました. (サスキンドの副題は「量子力学にとって世界を安全にするためのスティーブン・ホーキングとの戦い」)
最終的にサスキンドは、彼自身にも衝撃を与えた発見で、穴から落ちたすべての情報が、実際にはブラック ホールの 2 次元のイベント ホライズンに閉じ込められていたことに気付きました。 .地平線は、ホログラムのように内部のすべてをエンコードしました。家を再構築するために必要なビットと、その中のすべてが壁に収まるかのようでした。情報は失われませんでした — スクランブルされ、手の届かないところに保管されていました.
Susskind は、Susskind が「マスター」と呼ぶ Maldacena などと一緒にこのアイデアに取り組み続けました。ホログラフィーは、ブラック ホールを理解するためだけでなく、その境界によって記述できる空間のあらゆる領域を理解するためにも使用され始めました。過去 10 年ほどの間に、宇宙は一種のホログラムであるという一見おかしな考えは、宇宙論から凝縮物質まで、あらゆる分野で使用される現代物理学のツールになりました。 Susskind氏は、「科学的アイデアに起こることの1つは、突飛な推測から合理的な推測、さらに実用的なツールへと移行することが多いことです」と述べています。 「それが日課になりました。」
ホログラフィーは、ブラック ホールの地平線を含む境界で何が起こるかに関心がありました。サスキンド氏によると、内部で何が起こっているのかという疑問は未解決のままであり、その答えは「地図のいたるところにありました」とのことです。結局のところ、ブラック ホールの地平線の内部から情報が漏れることは決してないため、物理法則により、科学者は内部で何が起こっているかを直接テストすることができませんでした。
そして2012年、ポルチンスキーはアーメド・アルムヘイリ、ドナルド・マロフ、ジェームズ・サリーと共に、当時サンタバーバラにいた全員が驚くべき洞察を思いつきました。
いわゆる AMPS 論文 (その著者のイニシャルにちなんで) は、絡み合いのパラドックスのドゥージーを提示しました — 非常に明白なパラドックスは、地平線のすぐ内側にある「ファイアウォール」がフライするため、ブラック ホールには実際には内部さえない可能性があることを暗示していました。その秘密を見つけようとする人または何か.
ファイアウォールのスケーリング
彼らの主張の核心は次のとおりです。ブラック ホールのイベント ホライズンが滑らかで一見普通の場所である場合、相対性理論が予測するように (著者はこれを「ドラマがない」状態と呼んでいます)、ブラック ホールから出てくる粒子は粒子と絡み合っているに違いありません。ブラックホールに落ちる。しかし、情報が失われないようにするためには、ブラック ホールから出てくる粒子も、ずっと前に出て、現在はホーキング放射の霧の中で散らばっている粒子と絡み合っている必要があります。これはもつれの種類が多すぎると、AMPS の作成者は認識しています。そのうちの 1 人は行かなければなりません。
その理由は、最大のエンタングルメントは、2 つの粒子の間に存在する一夫一婦制でなければならないからです。一度に 2 つの最大のエンタングルメント (量子一夫多妻制) が発生することはあり得ません。これは、ブラック ホールの喉の内側に滑らかで連続的な時空が存在できないことを示唆しています。地平線でのもつれの崩壊は、空間の不連続性、エネルギーの積み上げ、つまり「ファイアウォール」を意味します。
スタンフォード大学の物理学者であるスティーブン・シェンカー氏は、AMPS の論文が「本当の引き金」となり、どれほど多くのことが理解されていなかったのかを「はっきりと浮き彫りにしました」と述べています。もちろん、物理学者はそのようなパラドックスが大好きです。なぜなら、それらは発見の肥沃な土壌だからです。
Susskind と Maldacena の両方がすぐに乗り込みました。彼らはエンタングルメントとワームホールについて考えていました。どちらも、エンタングルメントと時空が密接に関連していることを示唆する極めて重要な思考実験を行ったバンクーバーのブリティッシュ コロンビア大学の物理学者であるマーク ヴァン ラームスドンクの研究に触発されました。 .
「ある日、Juan は方程式 ER =EPR を含む非常に不可解なメッセージを私に送りました。私は彼が何をしようとしているのかを即座に理解し、そこから私たちはアイデアを拡張して行き来しました。」
彼らが 2013 年の論文「絡み合ったブラック ホールのクールな地平線」で発表した彼らの調査は、AMPS の著者が見落としていた一種の絡み合い、つまり「空間を結び付ける」ものであると主張しました。 AMPS は、事象の地平線の内側と外側の空間の部分が独立していると仮定しました。しかし、Susskind と Maldacena は、実際には、境界の両側にある粒子がワームホールによって接続されている可能性があることを示唆しています。 ER =EPR の絡み合いは、「明らかなパラドックスを回避するようなものです」と Van Raamsdonk 氏は述べています。この論文には、冗談めかして「タコの写真」と呼ばれるグラフィックが含まれていました。これは、ブラック ホールの内側から外側のホーキング放射につながる複数のワームホールを示しています。
言い換えれば、ブラック ホールの喉の滑らかな表面にねじれを作るような絡み合いは必要ありませんでした。穴の中に残っている粒子は、ずっと前に出た粒子に直接接続されます。地平線を通過する必要はありません。ゴーを通過する必要はありません。内側にある粒子と遠くにある粒子は、まったく同じものと見なすことができると Maldacena 氏は説明しました。私と同じように、私自身と私です。ホーキング放射の雲が消えました。
ワームホールの穴
ER =EPR がファイアウォールの問題を解決するかどうかは、まだ誰にもわかりません。パサデナにあるカリフォルニア工科大学の物理学者であるジョン・プレスキルは、カリフォルニア工科大学の量子情報物質研究所のブログである Quantum Frontiers の読者に、物理学者は自分の「嗅覚」を頼りにどの理論が約束されているかを嗅ぎ分けることがあることを思い出させました。 「ER =EPR は新鮮で甘い香りがするかもしれませんが、しばらく棚の上で熟す必要があります。」
何が起ころうとも、絡み合った量子粒子と滑らかに歪んだ時空の幾何学との間の対応は、「大きな新しい洞察」である、とシェンカーは述べた。彼と彼の共同研究者である高等研究所の研究者であるダグラス スタンフォードは、シェンカーが「私でも理解できる単純な幾何学」と呼ぶものを通じて、量子カオスの複雑な問題に取り組むことができました。
確かに、ER =EPR はまだどのような種類の空間にも、どのようなもつれにも適用されません。特別なタイプのエンタングルメントと特別なタイプのワームホールが必要です。 「レニーとフアンはこれを完全に認識しています」と、2 つ以上の端を持つワームホールについて記述した論文を最近共同執筆したマロルフは言いました。 ER =EPR は非常に特殊な状況で機能しますが、AMPS はファイアウォールがより広範な課題を提示すると主張しています.
Polchinski などと同様に、Marolf は ER =EPR が標準的な量子力学を変更することを懸念しています。 「多くの人が ER =EPR 予想に本当に興味を持っています」と Marolf は言いました。 「しかし、それが何であるかを本当に理解しているのはレニーとフアンだけだという感覚があります。」それでも、「現場にいるのは興味深い時期です。」
2015 年 4 月 27 日の明確化:記事は、最大限に絡み合った粒子のみが一夫一婦の絡み合いを持つ必要があることを明確にするために変更されました。
このシリーズのパート 2 では、エンタングルメントがどのように時空を構成するかを詳しく探り、4 月 28 日火曜日に公開します。
