一連の画期的な論文の中で、理論物理学者は、50 年近く彼らを魅了し悩ませてきたブラック ホール情報のパラドックスの解決に興味をそそられるほど近づいてきました。彼らは自信を持って、情報はブラック ホールから逃れることができると言っています。 1つに飛び込むと、永久になくなることはありません。粒子ごとに、体を再構成するために必要な情報が再び現れます。ほとんどの物理学者は長い間、そうなるだろうと考えてきました。それはひも理論の結末であり、統一自然理論の有力な候補でした。しかし、ひも理論に着想を得た新しい計算ではあるが、ひもは見えず、独立している。情報は、重力自体の働きを通じて取り出されます — 量子効果の単層を持つ通常の重力です。
これは、重力にとって独特の役割の逆転です。アインシュタインの一般相対性理論によると、ブラック ホールの重力は非常に強力で、そこから逃れることはできません。 1970 年代にスティーブン ホーキング博士と彼の同僚によって開発されたブラック ホールのより洗練された理解は、この原則に疑問を投げかけませんでした。ホーキング博士らは、量子論を使用してブラック ホール内およびその周辺の物質を記述しようとしましたが、アインシュタインの古典理論 (物理学者が「半古典的」と呼ぶハイブリッド アプローチ) を使用して重力を記述し続けました。アプローチは穴の周囲での新しい影響を予測しましたが、内部は厳密に密閉されたままでした.物理学者たちは、ホーキング博士が半古典的な計算に成功したと考えました。それ以上の進歩は、重力も量子として扱わなければならない.
それが、新しい研究の著者が異議を唱えていることです。彼らは追加の半古典的効果を発見しました — アインシュタインの理論が許容する新しい重力配置ですが、ホーキングはそれを含めませんでした。ブラックホールが非常に古いものになると、これらの効果は最初は抑えられます。穴は隠者の王国から精力的に開かれたシステムに変わります。情報がこぼれるだけでなく、新しい情報が入ってきてもすぐに吐き出されます。修正された半古典理論は、情報がどのように正確に外に出てくるかをまだ説明していませんが、過去 2 年間の発見のペースが速かったため、理論家はすでに脱出メカニズムのヒントを持っています.
「これは、ホーキング博士以来、このテーマで起こった最もエキサイティングなことだと思います」と、共著者の 1 人であるカリフォルニア大学サンタバーバラ校のドナルド・マロフは言いました。
「これは画期的な計算です」と、スタンフォード大学の主要な理論物理学者であり、直接関与していない Eva Silverstein は述べています。
著者は喜ぶと思うかもしれませんが、彼らはがっかりしているとも言っています。計算に軽い粉塵ではなく量子重力の深い特徴が含まれていた場合、それを実行するのはさらに困難だったかもしれませんが、それが達成されれば、それらの深さを明らかにしたでしょう.そのため、彼らは、求めていたより広範な解決を達成することなく、この 1 つの問題を解決したのではないかと心配しています。カリフォルニア大学バークレー校のジェフ・ペニントン氏は、「この質問に答えることができれば、つまり情報が出てくるのを見ることができれば、そのためには微視的理論について学ぶ必要があったでしょう」と述べています。重力の完全な量子論へ。
それが意味することは、Zoom の通話やウェビナーで激しく議論されていることです。この作品は非常に数学的であり、ルーブ・ゴールドバーグの品質を備えており、解釈が難しい方法で計算上のトリックを次々とつなぎ合わせています。ワームホール、ホログラフィック原理、創発時空、量子エンタングルメント、量子コンピューター:最近の基礎物理学のほぼすべての概念が出現し、主題を魅惑的かつ混乱させています。
そして、誰もが確信しているわけではありません。ホーキング博士の考えは正しかったし、情報を逃れるためにはひも理論やその他の新しい物理学が必要だと考える人もいます。南カリフォルニア大学のニック・ワーナー氏は、「私は『量子力学と重力だけで解決策を見つけた』と言う人には非常に抵抗があります。 「以前は私たちをぐるぐる回したからです。」
しかし、ほぼ全員が 1 つのことに同意しているようです。どういうわけか、時空自体がブラック ホールでばらばらになっているように見えます。これは、時空が現実のルート レベルではなく、より深いところから出現した構造であることを意味します。アインシュタインは重力を時空の幾何学と考えていましたが、彼の理論は時空の解消も伴います。これが最終的に、情報が重力の牢獄から逃れることができる理由です。
曲線が鍵となる
1992 年、ドン ペイジと彼の家族はクリスマス休暇をパサデナの家で過ごし、スイミング プールを楽しみ、ローズ パレードを見ました。カナダのアルバータ大学の物理学者であるページも、この休憩を利用して、ブラックホールが実際にどのように逆説的であるかを考えました。彼が 70 年代に大学院生だったときのブラック ホールの最初の研究は、彼のアドバイザーであるスティーブン ホーキングが、ブラック ホールが放射を放出するという認識の鍵となりました。簡単に言えば、ブラック ホールは外側から内側に腐敗します。
それが放出する粒子は、内部の内容に関する情報を持っていないようです。 100kgの宇宙飛行士が落ちると、穴の質量は100kg増えます。しかし、穴が 100 キログラムに相当する放射線を放出する場合、その放射線は完全に構造化されていません。放射線については、それが宇宙飛行士からのものなのか、鉛の塊からのものなのかを明らかにするものは何もありません.
ある時点で、ブラック ホールは最後のオンスを放出し、停止するため、これは問題です。残っているのは、あちらこちらで無作為に飛び交う粒子の大きな不定形の雲だけです。落ちたものを取り戻すことは不可能です。そのため、ブラック ホールの形成と蒸発は不可逆的なプロセスになり、量子力学の法則に反しているように見えます。
ホーキング博士をはじめとする当時のほとんどの理論家は、その結論を受け入れていました。もし不可逆性が当時理解されていた物理法則を軽視するなら、それらの法則にとってはなおさら悪いことです。しかし、不可逆性は時間の基本的な対称性に違反するため、ページは動揺しました。 1980年、彼は以前の顧問と決別し、ブラックホールは情報を解放するか、少なくとも保存しなければならないと主張した。それは物理学者の間で分裂を引き起こしました。 「私が話したほとんどの一般相対論者はホーキングに同意しました」とペイジは言いました。 「しかし、素粒子物理学者は私に同意する傾向がありました。」
パサデナでの休暇中に、ページは両方のグループが重要なポイントを見逃していることに気付きました。パズルは、ブラック ホールの寿命の終わりに何が起こるかだけでなく、それに至るまでのことでもありました。
彼は、比較的無視されてきたプロセスの側面である量子もつれを考慮しました。放出された放射線は、その発生場所への量子力学的リンクを維持します。放射線またはブラック ホールのいずれかを単独で測定すると、ランダムに見えますが、それらを合わせて考えると、パターンが示されます。パスワードでデータを暗号化するようなものです。パスワードのないデータは意味不明です。良いパスワードを選択した場合、パスワードも無意味です。しかし、一緒にそれらは情報のロックを解除します。ペイジは、情報が同様に暗号化された形でブラック ホールから出てくるのではないかと考えました。
ペイジは、ブラック ホールと放射線の間のエンタングルメントの総量、エンタングルメント エントロピーとして知られる量について、それが何を意味するかを計算しました。プロセス全体の開始時には、エンタングルメント エントロピーはゼロです。これは、ブラック ホールがまだエンタングルする放射を放出していないためです。プロセスの最後に、情報が保存されていれば、もはやブラック ホールが存在しないため、エンタングルメント エントロピーは再びゼロになるはずです。 「放射エントロピーがその間にどのように変化するのか興味がありました」とページは言いました.
最初に、放射が少しずつ出てくると、エンタングルメント エントロピーが大きくなります。ペイジは、この傾向は逆転しなければならないと考えました。エントロピーがエンドポイントでゼロになるには、上昇を止めて下降を開始する必要があります。時間が経つにつれて、エンタングルメント エントロピーは逆 V 字型の曲線をたどるはずです。
ペイジは、この逆転がプロセスのほぼ途中で発生しなければならないと計算しました。これは、物理学者が想定したよりもはるかに早い時期です。ブラックホールはその時点でまだ巨大であり、推定されるエキゾチックな効果が現れる亜原子サイズには決して及ばない.既知の物理法則が引き続き適用されるはずです。そして、これらの法律には曲線を曲げる要素は何もありません.
それで、問題ははるかに深刻になりました。物理学者は常に、重力の量子論は、星が陽子の半径に崩壊するなど、ばかげているように聞こえるほど極端な状況でのみ有効になると考えていました。ペイジは、場合によってはあなたのキッチンに匹敵する条件下で、量子重力が重要であると彼らに話していました.
ペイジの分析は、ブラック ホール情報の問題を単なるパズルではなくパラドックスと呼ぶことを正当化しました。それは、半古典的な近似内の矛盾を明らかにしました。ピッツバーグ大学の物理学哲学者であるデビッド・ウォレスは、「ページタイムのパラドックスは、エネルギーがまだ低いため、ビジネスが崩壊することのない場所での低エネルギー物理学の崩壊を示しているようです.
明るい面としては、ページが問題を明確にしたことで、解決への道が開かれました。彼は、もつれエントロピーがページ曲線に従う場合、情報がブラックホールから出てくることを確立しました。そうすることで、彼は議論を計算に変えました。ハーバード大学のアンドリュー・ストロミンガーは、「物理学者は必ずしも言葉が得意ではありません。 「私たちは鋭い方程式で最善を尽くします。」
物理学者はエンタングルメント エントロピーを計算するだけで済みました。彼らがそれをやってのけることができれば、彼らはまっすぐな答えを得るでしょう.エンタングルメント エントロピーは逆 V に従うかどうか。もしそうなら、ブラックホールは情報を保存します。これは素粒子物理学者が正しかったことを意味します。そうでない場合、ブラック ホールは情報を破壊したり、閉じ込めたりします。一般相対論者は、教員会議で最初のドーナツを食べることができます。
しかし、ペイジは物理学者がしなければならないことを詳しく説明しましたが、理論家がその方法を理解するのに 30 年近くかかりました。
裏返しのブラック ホール
過去 2 年間、物理学者は、ブラック ホールのエンタングルメント エントロピーが本当にページ曲線に従っていることを示しており、情報が外に出ていることを示しています。彼らは段階的に分析を行いました。最初に、弦理論からの洞察を使用して、それがどのように機能するかを示しました。その後、昨年秋に発表された論文で、研究者はひも理論へのつなぎを完全に切り捨てました。
この作業は 2018 年 10 月に本格的に開始され、高等研究所の Ahmed Almheiri がブラック ホールがどのように蒸発するかを研究するための手順を提示しました。 Almheiri はすぐに何人かの同僚に加わり、1997 年に現在 IAS にいる Juan Maldacena によって最初に開発された概念を適用しました (Penington は並行して作業していました)。
スノードームのような境界に包まれた宇宙を考えてみましょう。周囲に大きな壁があることを除けば、内部は基本的に私たちの宇宙のようなものです。重力や物質などがあります。境界も一種の宇宙です。重力がなく、単なる表面であるため、奥行きがありません。しかし、活気に満ちた量子物理学でそれを補っており、全体として、内部とまったく同じくらい複雑です。これら 2 つの宇宙は異なって見えるかもしれませんが、完全に一致しています。内部のすべて、つまり「バルク」には、境界に対応するものがあります。バルクの幾何学は私たち自身の宇宙の幾何学とは異なりますが、この「AdS/CFT」の二重性は、マルダセナが導入して以来、弦理論家のお気に入りの遊び場でした.
この双対性の論理により、バルク内にブラック ホールがある場合、その境界にはシミュラクラムがあります。境界は重力の影響を受けずに量子物理学によって制御されるため、情報は明確に保持されます。ブラックホールもそうです。
研究者が AdS/CFT でブラック ホールがどのように蒸発するかの分析に着手したとき、最初に小さな問題を克服する必要がありました。AdS/CFT では、ブラック ホールは実際には蒸発しません。放射線は圧力鍋の蒸気のように閉じ込められた容積を満たし、穴から放出されたものは最終的に再吸収されます。 「システムは定常状態に達するでしょう」と、リスボン大学研究所の理論物理学者であるホルヘ・ヴァレラス・ダ・ロチャは言いました。
これに対処するために、Almheiri と彼の同僚は Rocha の提案を採用し、蒸気バルブに相当するものを境界に配置して放射線を排出し、それが逆流するのを防ぎました。 Almheiri の共著者の 1 人であるマサチューセッツ工科大学。研究者たちは、バルク スペースの中心にブラック ホールを落とし、放射線を放出し始め、何が起こったかを観察しました。
ブラック ホールのエンタングルメント エントロピーを追跡するために、彼らは、ケンブリッジ大学のアーロン ウォールを含むエンゲルハートらが過去 10 年間に開発した AdS/CFT のより詳細な理解を利用しました。物理学者は、バルクのどの部分が境界のどの部分に対応しているか、バルクのどの特性が境界のどの特性に対応しているかを特定できるようになりました.
双対性の 2 つの側面を関連付ける鍵は、物理学者が量子極値面と呼ぶものです。 (これらのサーフェスは一般的な機能です。ブラック ホールが存在する必要はありません。) 基本的に、大量のシャボン玉を吹き飛ばすことを想像します。泡は自然にその表面積を最小化する形状をとります。形状は、子供の誕生日パーティーの泡のように丸い必要はありません。幾何学の規則は、私たちが慣れ親しんでいるものとは異なる場合があるためです。したがって、バブルはそのジオメトリのプローブです。量子効果もそれを膨張させることができます.
量子極値面がどこにあるかを計算することにより、研究者は 2 つの重要な情報を取得します。まず、サーフェスがバルクを 2 つの部分に切り分け、それぞれを境界の一部に一致させます。第 2 に、表面の面積は、境界の 2 つの部分の間のエンタングルメント エントロピーの一部に比例します。このように、量子極値面は、幾何学的概念 (面積) を量子概念 (エンタングルメント) に関連付け、重力と量子論がどのように 1 つになるかを垣間見せます。
しかし、研究者がこれらの量子極値表面を使用して蒸発するブラック ホールを研究したところ、奇妙なことが起こりました。蒸発プロセスの早い段階で、彼らは予想通り、境界のもつれエントロピーが上昇することを発見しました。穴は空間内の唯一のものであるため、著者は、そのエンタングルメント エントロピーが上昇していると推測しました。 Hawking の元の計算に関しては、今のところ非常に良好です。
突然それが変わりました。ブラックホールの地平線のすぐ内側で、量子極値表面が突然実体化しました。当初、このサーフェスはシステムの残りの部分に影響を与えませんでした。しかし、最終的にはエントロピーの決定要因となり、低下につながりました。研究者はそれを沸騰や凍結のような遷移と比較します。 「これは、熱力学的相に似た、気体と液体の間の相変化と考えています」と Engelhardt 氏は述べています。
それは3つのことを意味していました。まず、突然の変化は、ホーキング博士の計算ではカバーされていない新しい物理学の始まりを示していました。第二に、極限表面が宇宙を 2 つに分割しました。一部が境界に相当する。もう 1 つは、境界が情報を持たないここドラゴンの領域であり、システムからの出血放射がその情報コンテンツに影響を与えていたことを示しています。
第三に、量子極値面の位置は非常に重要でした。ブラックホールの地平線のすぐ内側に位置していました。正孔が縮小すると、量子極値面も縮小し、エンタングルメント エントロピーも縮小しました。これにより、ペイジが予測した下り坂が生成されます — どんな計算でも初めてそれが行われました.
エンタングルメント エントロピーがページ曲線を追跡することを示すことで、チームはブラック ホールが情報を放出することを確認できました。量子もつれによって可能になった高度に暗号化された形で滴り落ちます。実際、非常に暗号化されているため、ブラック ホールが何かを放棄したようには見えません。しかし、最終的にブラック ホールは、情報を解読できる転換点を通過します。 2019 年 5 月に投稿された研究では、もつれを幾何学的に定量化する新しい理論ツールを使用して、これらすべてが示されました。
これらのツールを使用しても、計算を実行可能にするためには、その本質を取り除く必要がありました。たとえば、この AdS/CFT ユニバースの大部分は、1 つの次元のスペースしかありませんでした。ブラックホールは大きな黒い球ではなく、短い線分でした。それでも、研究者たちは、重力は重力であり、この貧しいラインランドに何が起こるかは、現実の宇宙にも当てはまるはずだと主張した. (2020 年 4 月、大阪大学の橋本浩二、飯塚典宏、松尾義典は、より現実的な平面幾何学でブラック ホールを分析し、その結果が今でも有効であることを確認しました。)
2019 年 8 月、Almheiri と別の一連の同僚が次のステップに進み、放射線に注意を向けました。彼らは、ブラック ホールとそこから放出された放射線の両方が同じページ曲線に従うことを発見しました。そのため、情報は一方から他方へ転送されなければなりません。計算は、それがどのように転送されるかを示していません。
研究の一環として、彼らは宇宙が不可解な再編成を受けていることを発見しました。最初はブラックホールが宇宙の中心にあり、放射線が飛び出しています。しかし、十分な時間が経過すると、方程式によると、ブラック ホールの奥深くにある粒子は、もはやホールの一部ではなく、放射線の一部になります。彼らは外に飛んだのではなく、単に再割り当てされただけです.
これらの内部粒子は通常、ブラック ホールと放射線の間のエンタングルメント エントロピーに寄与するため、これは重要です。それらがもはやブラック ホールの一部ではない場合、エントロピーに寄与しなくなり、減少し始める理由が説明されます。
著者らは、放射線の内核を「島」と呼び、その存在を「驚くべき」と呼びました。粒子がブラック ホールの中にあり、ブラック ホールの外にないということはどういう意味ですか?情報が保持されていることを確認する際に、物理学者は 1 つのパズルを削除して、さらに大きなパズルを作成しました。私がAlmheiriたちにそれが何を意味するのか尋ねると、彼らは遠くを見つめ、一瞬言葉を失いました.
ワームホールに入る
これまでの計算では、AdS/CFT の二重性 (スノードームの世界) を想定していましたが、これは重要なテスト ケースですが、最終的にはいくらか不自然でした。次のステップは、ブラック ホールをより一般的に検討することでした。
研究者たちは、1940 年代にリチャード ファインマンが開発した概念を利用しました。経路積分として知られているのは、核となる量子力学的原理の数式表現です。つまり、起こりうることはすべて起こります。量子物理学では、点 A から点 B に移動する粒子は、重み付けされた合計で結合されるすべての可能な経路をたどります。最も重みの高いパスは通常、通常の古典物理学から期待されるものですが、常にそうとは限りません。重みが変化すると、粒子はある経路から別の経路に突然飛び出し、昔ながらの物理学では不可能な遷移を経ることがあります。
経路積分は粒子運動に対して非常にうまく機能するため、1950 年代の理論家はこれを重力の量子論として提案しました。これは、単一の時空間ジオメトリを可能な形状のメランジュに置き換えることを意味しました。私たちには、時空は明確に定義された単一の形状を持っているように見えます。たとえば、地球の近くでは、オブジェクトが地球の中心を周回する傾向があるほど十分に湾曲しています。しかし、量子重力では、はるかに曲線的なものを含む他の形状が潜在的であり、適切な状況下で出現する可能性があります.ファインマン自身が 60 年代にこのアイデアを採用し、ホーキングは 70 年代と 80 年代にそれを支持しました。しかし、彼らのかなりの天才でさえ、重力経路積分を実行する方法に苦労し、物理学者はそれを脇に置いて、量子重力への他のアプローチを支持しました. 「私たちはそれが何であるかを正確に定義する方法を本当に知りませんでした。そして、何を推測しても、まだわかりません」と、カリフォルニア工科大学のジョン・プレスキルは言いました.
まず、「すべての」可能な形状とは何ですか?ホーキングにとって、それはすべてのトポロジーを意味していました。時空はドーナツやプレッツェルのような形に結び付くかもしれません。余分な接続により、遠く離れた場所や瞬間の間にトンネル、または「ワームホール」が作成されます。これらにはさまざまな種類があります。
空間ワームホールは、SF 作家に愛されるポータルのようなもので、ある星系を別の星系に結び付けます。いわゆる時空のワームホールは、私たち自身から芽を出し、しばらくして再結合する小さな宇宙です。天文学者はどちらのタイプも見たことがありませんが、一般相対性理論はこれらの構造を可能にし、理論はブラックホールや重力波などの一見奇妙な予測を行い、後に立証された優れた実績を持っています.これらのエキゾチックな形状が混合物に属していることに誰もがホーキングに同意したわけではありませんが、ブラックホールの新しい分析を行っている研究者は暫定的にその考えを採用しました.
彼らは現実的にすべての可能なトポロジーを考慮することはできず、文字通り数え切れないので、蒸発するブラック ホールにとって最も重要なトポロジーだけに注目しました。これらは、数学的な理由から鞍点として知られており、かなり穏やかな形状に見えます。最終的に、チームは形状の完全な合計を実際には実行しませんでした。彼らは経路積分を、主に鞍点を特定する手段として使用しました。
ブラック ホールとその放射に経路積分を適用した後の次のステップは、エンタングルメント エントロピーを計算することでした。この量は、行列の対数 (数値の配列) として定義されます。計算が困難な場合もありますが、この場合、物理学者は実際には行列を持っていなかったため、経路積分を評価する必要がありました。そのため、未知の数量に対して実行できない操作を実行する必要がありました。そのために、彼らは別の数学的トリックを打ち破りました。
彼らは、エントロピーが完全な行列の知識を必要としないことに気付きました。代わりに、ブラックホールで一連の測定を繰り返し実行し、必要な知識を保持する方法でそれらの測定値を組み合わせることが想像できます。このいわゆるレプリカ トリックは、70 年代の磁石の研究にさかのぼり、2013 年に初めて重力に適用されました。
新作の著者の 1 人であるコーネル大学のトム ハートマンは、レプリカのトリックを、コインが公正かどうかをチェックすることに例えました。普通なら何度も投げて、50～50の確率で左右に着地するか確認します。しかし、何らかの理由でそれができないとします。代わりに、2 つの同一のコイン (「レプリカ」) を投げて、それらが同じ面に着地する頻度に注目します。これが半分の時間で発生する場合、コインは公平です。個々の確率はまだわかりませんが、ランダム性について基本的な判断を下すことはできます。これは、ブラック ホールの完全な行列がわからないにもかかわらず、そのエントロピーを評価していることに似ています。
トリックですが、実際の物理学が含まれています。重力経路積分は、レプリカを本物のブラック ホールと区別しません。それは文字通りそれらを取ります。これにより、重力経路積分に含まれる潜在トポロジーの一部がアクティブになります。その結果、時空のワームホールによってリンクされた複数のブラック ホールを含む新しい鞍点ができます。それは、ホーキング放射の霧に囲まれた単一のブラック ホールの規則的な幾何学と影響力を競います。
ワームホールと単一のブラック ホールは、基本的に、どれだけエンタングルメント エントロピーを持っているかによって、逆に重み付けされます。ワームホールはたくさんあるので、重み付けが低く、最初は重要ではありません。しかし、それらのエントロピーは減少しますが、ホーキング放射のエントロピーは上昇し続けます。最終的にはワームホールが支配的になり、ブラック ホールのダイナミクスを引き継ぎます。あるジオメトリから別のジオメトリへのシフトは、古典的な一般相対性理論では不可能です。これは本質的に量子プロセスです。追加の幾何学的構成とそれにアクセスする遷移プロセスは、分析の 2 つの主な発見です。
2019 年 11 月、物理学者の 2 つのチーム (地理的な関係から西海岸グループと東海岸グループとして知られる) が、このトリックによってページ曲線を再現できることを示す研究を投稿しました。このようにして、彼らは放射線がブラックホールに落ちたものの情報内容を霊的に追い払うことを確認しました.弦理論は真実である必要はありません。ひも理論の頑固な批評家でさえ、重力経路積分に乗り込むことができます。それでも、分析は洗練されているが、情報がどのように逃走するのかはまだ明らかにされていない.
時空の構築
これらの計算により、放射線には情報が豊富に含まれています。どういうわけか、それを測定することで、何がブラック ホールに落ちたのかを知ることができるはずです。しかし、どのように?
西海岸グループの理論家は、放射線を量子コンピューターに送ることを想像しました。結局のところ、コンピュータ シミュレーションはそれ自体が物理システムです。特に、量子シミュレーションは、それがシミュレートしているものとまったく異なるわけではありません。そこで物理学者たちは、すべての放射線を集めて大規模な量子コンピューターに供給し、ブラック ホールの完全なシミュレーションを実行することを想像しました。
そして、それは物語に驚くべきねじれをもたらしました。放射線は、それが発生したブラック ホールと高度に絡み合っているため、量子コンピューターもホールと高度に絡み合っています。シミュレーション内で、エンタングルメントは、シミュレートされたブラック ホールとオリジナルの間の幾何学的リンクに変換されます。簡単に言えば、両者はワームホールでつながっています。スタンフォード大学の理論物理学者で西海岸チームのメンバーであるダグラス・スタンフォード氏は、「物理的なブラック ホールと、量子コンピューターでシミュレートされたブラック ホールがあり、それらを接続するレプリカ ワームホールが存在する可能性があります」と述べています。このアイデアは、2013 年にスタンフォード大学の Maldacena と Leonard Susskind によって提案された、量子エンタングルメントはワームホールと見なすことができるという提案の一例です。ワームホールは、情報が内部から逃れるための秘密のトンネルを提供します。
理論家たちは、これらすべてのワームホールを文字通りどのように捉えるかについて、熱心に議論してきました。ワームホールは方程式の奥深くに埋もれているため、現実とのつながりは薄いように見えますが、目に見える結果をもたらします。 「何が物理的で何が非物理的かを答えるのは難しい」と、スタンフォード大学の物理学者 Raghu Mahajan は述べた。
しかし、マハジャンらはワームホールを宇宙に存在する実際のポータルと考えるのではなく、新しい非局所物理学の兆候であると推測しています。ワームホールは 2 つの離れた場所を接続することで、粒子、力、またはその他の影響が介在する距離を横切ることなく、1 つの場所での発生が離れた場所に直接影響を与えることを可能にします。これは、物理学者が非局所性と呼ぶものの例です。 「彼らは、非局所的な影響が入ってくることを示唆しているようです」と Almheiri 氏は述べています。ブラック ホールの計算では、島と放射は 2 つの場所で見られる 1 つのシステムであり、「場所」の概念の失敗に相当します。 「ある種の非局所的効果が重力に関与しなければならないことは常にわかっていましたが、これはその 1 つです」とマハジャンは言いました。 「独立していると思っていたものは、実際には独立していません。」
一見すると、これは非常に驚くべきことです。アインシュタインは、物理学から非局所性を排除するという明確な目的を持って一般相対性理論を構築しました。重力は、すぐに宇宙に届くわけではありません。自然界の他の相互作用と同様に、ある場所から別の場所に有限の速度で伝播する必要があります。しかし、何十年にもわたって、物理学者は、相対性理論の基礎となっている対称性が新しい種類の非局所効果を生み出すことに気づきました.
今年の 2 月、マロフとヘンリー マックスフィールド (同じくサンタ バーバラ) は、新しいブラック ホールの計算によって暗示された非局所性を研究しました。彼らは、相対性理論の対称性が、一般に考えられているよりもさらに広範な影響を及ぼしていることを発見しました。これは、時空に、ブラック ホールの分析で見られる鏡のホールのような性質を与える可能性があります。
これらすべてが、時空は自然の根源レベルではなく、空間的または時間的ではないいくつかの根底にあるメカニズムから出現するという多くの物理学者の予感を補強します。多くの人にとって、これが AdS/CFT の二重性から学んだ主な教訓でした。新しい計算はほとんど同じことを言っていますが、双対性やひも理論には関与していません。ワームホールが発生するのは、経路積分がスペースが崩壊していることを伝えるために使用できる唯一の言語であるためです。それらは、宇宙が究極的には非幾何学的であるという幾何学の言い方です.
始まりの終わり
この研究に関与していない物理学者、ひも理論にさえ関与していない物理学者は、当然のことながら懐疑的ではあるが、感銘を受けたと言う。ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学のダニエレ・オリティ氏は、次のように述べています。
しかし、宇宙を 3 空間次元未満に制限するなど、分析で使用される理想化の山のようによろめくことに不安を感じる人もいます。ホーキング博士の研究に端を発した 80 年代の経路積分に対する以前の興奮の波は、理論家が近似値の蓄積に神経質になったことが原因の 1 つとして消え去りました。今日の物理学者は同じ罠に陥っていますか?重力経路積分の専門家であるオランダのラドバウド大学の Renate Loll 氏は、次のように述べています。彼女は、積分が賢明な結果をもたらすためには、ワームホールを明示的に禁止する必要があると主張しました.
懐疑論者はまた、著者がレプリカのトリックを過剰に解釈したことを心配しています。レプリカが重力的に接続できると仮定することで、著者は過去の操作の呼び出しを超えています。 「彼らは、異なるレプリカを接続するすべてのジオメトリが許可されていると仮定していますが、それが量子ルールのフレームワークにどのように適合するかは明らかではありません」とサンタバーバラのスティーブ・ギディングスは言いました.
Given the uncertainties of the calculation, some are unconvinced that a solution is available within semiclassical theory. “There’s no good choice if you restrict to quantum mechanics and gravity,” Warner said. He has championed models in which stringy effects prevent black holes from forming in the first place. But the upshot is broadly similar:Space-time undergoes a phase transition to a very different structure.
Skepticism is warranted if for no other reason than because the recent work is complicated and raw. It will take time for physicists to digest it and either find a fatal flaw in the arguments or become convinced that they work. After all, even the physicists behind the efforts didn’t expect to resolve the information paradox without a full quantum theory of gravity. Indeed, they thought the paradox was their fulcrum for prying out that more detailed theory. “If you had asked me two years ago, I would have said:‘The Page curve — that’s a long way away,’” Engelhardt said. “We’re going to need some kind of [deeper] understanding of quantum gravity.’”
But assuming that the new calculations stand up to scrutiny, do they in fact close the door on the black hole information paradox? The recent work shows exactly how to calculate the Page curve, which in turn reveals that information gets out of the black hole. So it would seem as though the information paradox has been overcome. The theory of black holes no longer contains a logical contradiction that makes it paradoxical.
But in terms of making sense of black holes, this is at most the end of the beginning. Theorists still haven’t mapped the step-by-step process whereby information gets out. “We now can compute the Page curve, and I don’t know why,” said Raphael Bousso at Berkeley. To astronauts who ask whether they can get out of a black hole, physicists can answer, “Sure!” But if the astronauts ask how to do it, the disquieting reply will be:“No clue.”
This article was reprinted on Wired.com, in Italian at le Scienze and in Spanish at Investigacionyciencia.es.
