量子力学のさまざまな思考実験で愛されているアリスとボブは、岐路に立たされています。冒険好きでかなり無謀なアリスは非常に大きなブラック ホールに飛び込み、おそらく孤独なボブをイベント ホライズンの外に残します — ブラック ホールの引き返せない地点であり、そこからは何も、光さえも逃げることができません。
従来、物理学者は、ブラック ホールが十分に大きければ、アリスが地平線を横切るときに異常に気付かないだろうと想定していました。 「ノー ドラマ」と名付けられたこのシナリオでは、特異点と呼ばれるブラック ホール内のポイントに近づくまで、重力が極端になることはありません。そこでは、重力が頭よりも足の方がはるかに強くなり、アリスは「スパゲティ化」されます。
今、新しい仮説は、かわいそうなアリスに彼女が交渉した以上のドラマを与えている.この選択肢が正しければ、無防備なアリスが事象の地平線を横切るとき、彼女はその場で彼女を焼却する巨大な火の壁に遭遇します.アリスにとってこれは不公平に思えますが、このシナリオは、理論物理学で大切にされている 3 つの概念のうち少なくとも 1 つが間違っているに違いないことも意味します。
今年の夏、アリスの燃えるような運命が提案されたとき、それは物理学者の間で激しい議論を引き起こし、その多くは非常に懐疑的でした.カリフォルニア大学バークレー校の物理学者 Raphael Bousso 氏は、「私の最初の反応は、『冗談ですよ』でした。彼は、強力な反論がすぐに現れ、問題を解決するだろうと考えた.代わりに、この主題について議論する論文が相次いだ後、彼と彼の同僚は、これが非常に優れたパラドックスの原因であることに気付きました.
「地獄のメニュー」
物理学におけるパラドックスには、重要な問題を明確にする方法があります。この特定のパズルの中心には、多くの物理学者に愛されている 3 つの基本的な仮説の間の矛盾があります。 1 つ目は、一般相対性理論の等価原理に基づいており、ノー ドラマ シナリオにつながります。アリスは地平線を横切るときに自由落下しており、自由落下と慣性運動の間に違いがないため、彼女は極端な影響を感じないはずです。重力の。 2 番目の公準は単一性であり、ブラック ホールに落ちた情報が取り返しのつかないほど失われることはないという、量子力学の基本的な信条に沿った仮定です。最後に、「正常性」として最もよく説明できるものがあります。つまり、ブラック ホール内のある時点 (特異点または事象の地平線) で崩壊したとしても、ブラック ホールから遠く離れた場所で物理が期待どおりに機能するということです。
これらのコンセプトが合わさって、Bousso 氏が「地獄のメニュー」と無慈悲に呼んでいるものを構成しています。このパラドックスを解決するには、3 人のうちの 1 人を犠牲にする必要があり、誰が斧を手に入れるかについて誰も同意できません。
物理学者は、昔ながらの仮説を軽々しく放棄することはありません。そのため、非常に多くの人が火の壁という概念を非常に有害だと感じています。カリフォルニア工科大学のジョン・プレスキルは今月初め、スタンフォード大学のレナード・サスキンドが主催した非公式のワークショップで、「いやらしい」と宣言した。 2 日間、50 人ほどの物理学者が活発なブレインストーミング セッションに参加し、パラドックスを解決しようとするあらゆる種類のクレイジーなアイデアを放り出しました。 黒板に走り書きされている方程式の。しかし、集団的な不安にもかかわらず、ファイアウォールの最も激しい中傷者でさえ、難問に対する満足のいく解決策をまだ見つけていません.
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の弦理論家であるジョセフ・ポルチンスキーによると、最も単純な解決策は、等価原理が事象の地平線で崩壊し、それによってファイアウォールが生じることです。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、すべての発端となった論文の共著者であり、「AMPS」と呼ばれることが多いグループです。ポルチンスキーでさえ、このアイデアは少しクレイジーだと考えています。ファイアウォールが最も急進的でない潜在的な解決策であるということは、問題の難しさを証明しています。
ファイアウォールの引数にエラーがある場合、間違いは明らかではありません。それが優れた科学的パラドックスの特徴です。そして、理論家が新たな挑戦に飢えている時期に来ました.Large Hadron Colliderは、標準モデルを超えたエキゾチックな物理学を示唆するデータを見つけることができませんでした. 「データがない場合、理論家はパラドックスで繁栄します」とポルチンスキーは皮肉を言った.
Susskind によれば、AMPS が間違っているとすれば、それは物理学を前進させ、できれば量子重力の堅牢な理論に向けて、非常に興味深い方法で間違っているということです。物理学者にとってブラック ホールは結局のところ、一般相対性理論と量子力学の両方が適用できるため、サブ原子スケールでは量子力学によって、マクロスケールでは一般相対性理論によってオブジェクトが支配される宇宙の他の部分とは異なり、興味深いものです。 2 つの「ルールブック」は、それぞれの体制で十分に機能しますが、物理学者はそれらを組み合わせて、ブラック ホールのような異常、ひいては宇宙の起源に光を当てたいと考えています。
もつれたパラドックス
問題は複雑で微妙です — それらが単純であれば、パラドックスはありません — しかし、AMPS の議論の大部分は、一夫一婦の量子もつれの概念にかかっています:一度に 1 種類のもつれしか持つことができません。 AMPS は、「地獄のメニュー」に関する 3 つの仮説すべてが真であるためには、2 つの異なる種類の絡み合いが必要であると主張しています。量子力学の規則では両方のエンタングルメントを持つことはできないため、3 つの仮説のうちの 1 つを犠牲にする必要があります。
アルバート・アインシュタインが「遠く離れた不気味な作用」と揶揄したエンタングルメントは、量子力学のよく知られた特徴です (思考実験では、アリスとボブは絡み合った粒子のペアを表しています)。亜原子粒子が衝突すると、目に見えないほど結合することがありますが、物理的には離れている場合があります。遠く離れていても、それらは密接につながっており、1 つのオブジェクトのように機能します。したがって、一方のパートナーについての知識は、もう一方のパートナーについての知識を即座に明らかにすることができます。問題は、一度に 1 つのもつれしか持てないことです。
カリフォルニア工科大学の Quantum Frontiers ブログで Preskill が説明したように、古典物理学の下では、Alice と Bob は両方とも同じ新聞のコピーを持つことができ、同じ情報にアクセスできます。このような絆を共有することで、それらは「強い相関関係」になります。第三者の「キャリー」もその新聞のコピーを購入できます。これにより、彼女はそこに含まれる情報に平等にアクセスできるため、アリスとの関係を弱めることなくボブとの関係を築くことができます。実際、何人でも同じ新聞を購入し、互いに強い相関関係を築くことができます。
しかし、量子相関の場合はそうではありません。ボブとアリスが最大限絡み合うためには、それぞれの新聞の向きが同じである必要があります。方向が同じである限り、アリスとボブは同じ情報にアクセスできます。 「古典的な新聞を読む方法は 1 つしかなく、量子新聞を読む方法はたくさんあるため、量子相関は古典的なものよりも強力です」と Preskill 氏は述べています。そのため、アリスとのもつれの一部を犠牲にすることなく、ボブがアリスとのようにキャリーと強くもつれ合うことは不可能です。
ブラック ホールに関連するエンタングルメントには複数の種類があり、AMPS 仮説では 2 つのエンタングルメントが衝突するため、これは問題です。落下するオブザーバーであるアリスと外側のオブザーバーであるボブの間には、ノードラマを維持するために必要なもつれがあります。しかし、別の有名な物理学のパラドックスから生じた 2 つ目の絡み合いもあります。その 1 つは、ブラック ホールで情報が失われるかどうかという問題に関連しています。 1970 年代、スティーブン ホーキングは、ブラック ホールが完全な黒ではないことに気付きました。アリスが事象の地平線を横切るとき、アリスには何の問題もないように見えるかもしれませんが、ボブの視点からは、地平線は石炭の塊のように輝いているように見えます。この現象は現在ホーキング放射として知られています。
この放射は、仮想粒子のペアがブラック ホールの近くの量子真空から飛び出すことに起因します。通常なら衝突して消滅してエネルギーになるが、片方がブラックホールに吸い込まれ、もう片方が外界に逃げることもある。ブラック ホールの質量は、この効果に対抗し、エネルギーがまだ保存されていることを確認するためにわずかに減少する必要があり、徐々に存在しなくなります。蒸発の速さは、ブラック ホールのサイズによって異なります。ブラック ホールが大きいほど、ゆっくりと蒸発します。
ホーキング博士は、放射線が完全に蒸発すると、その放射線に含まれるブラック ホールの内容に関する情報が失われると想定していました。 「神はサイコロを振るだけでなく、見えないところにサイコロを投げて私たちを混乱させることもあります」と彼は有名に宣言しました。彼とカリフォルニア工科大学の物理学者キップ・ソーンは、ブラックホールで情報が失われるかどうかについて、1990年代に怪しげなプレスキルと賭けさえしました. Preskill は、情報を保存する必要があると主張しました。ホーキングとソーンは、情報が失われると信じていました。物理学者は最終的に、情報を保存するために代償を払うことが可能であることに気付きました。ブラック ホールが蒸発するにつれて、ホーキング放射は事象の地平線の外側の領域とますます絡み合うようになるはずです。したがって、ボブがその放射線を観察すると、情報を抽出できます。
しかし、アリスが事象の地平線を通過した後で、ボブが自分の情報とアリスの情報を比較したらどうなるでしょうか? 「それは悲惨なことになるだろう」とブッソは説明した。 」
Susskind が率いる物理学者は、アリスとボブがそれぞれの情報を共有することが不可能である限り、ブラック ホールのこれら 2 つの視点の間の不一致は問題ないと宣言しました。相補性と呼ばれるこの概念は、単一の観測者が事象の地平線の内側と外側の両方にいることはできないため、直接的な矛盾はないと単純に考えています。アリスが事象の地平線を横切り、その半径内にある星を見てボブにそのことを伝えたい場合、一般相対性理論にはそれを防ぐ方法があります。
量子ゼロクシングに頼らずに情報を回復できるというサスキンドの主張は、ホーキングが 2004 年にプレスキルとの賭けを認め、「情報は自由に取り出せる」と述べた野球の百科事典をプレスキルに提示するのに十分な説得力を証明した。しかし、譲歩を拒否したソーンが頑固だったのは正しかったのかもしれません。
Bousso は、ファイアウォールのパラドックスを解決するために、補完性が再び助けになると考えました。彼はすぐにそれが不十分であることに気づきました。相補性は、特定の問題に対処するために開発された理論的概念です。つまり、事象の地平線の内側と外側の観測者の 2 つの視点を調整します。しかし、ファイアウォールは事象の地平線の外側にあるごくわずかなものに過ぎず、アリスとボブに同じ視点を与えているため、補完性によってパラドックスが解決されることはありません。
量子重力に向けて
ファイアウォールを取り除き、ノー ドラマを維持したい場合、物理学者は、この独特の状況に合わせた新しい理論的洞察を見つけるか、おそらくホーキングが最初から正しかったことを認める必要があり、情報は実際に失われています。百科事典。そのため、Preskill が、スタンフォード ワークショップの同僚に、少なくとも情報損失の可能性を再考するよう提案したことは驚くべきことでした。単一性なしに量子力学を理解する方法はわかりませんが、「それができないという意味ではありません」と彼は言いました。 「鏡を見て自問してみてください。団結に命を賭けるでしょうか?」
ポルチンスキーは、アリスとボブがノードラマを維持するためにもつれている必要があり、量子情報を保存するためにホーキング放射が事象の地平線の外側の領域と絡み合っている必要があると説得力を持って主張しています。しかし、両方を持つことはできません。事象の地平線の外側の領域でホーキング放射のもつれを犠牲にすると、情報が失われます。 Alice と Bob のもつれを犠牲にすると、ファイアウォールができます。
「量子力学では、両方を存在させることはできません」とポルチンスキーは言いました。 「落下する (アリス) 観察者と外に出る (ボブ) 観察者の間のもつれを失った場合、それは、地平線のすぐそばにある量子状態にある種の鋭いねじれを入れたことを意味します。ある意味で、あなたは絆を断ち切りました。その絆を断ち切るにはエネルギーが必要です。これは、ファイアウォールが存在する必要があることを示しています。」
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: David Kaplan は、この In Theory ビデオで、ブラック ホールの物理学と量子重力の問題を探っています。
その結果は、ブラック ホールが蒸発するにつれて、イベント ホライズンの外側の領域とホーキング放射の間のもつれが増加しなければならないという事実から生じます。質量の約半分が放射されると、ブラック ホールは最大限に絡み合い、本質的に中年の危機を経験します。 Preskill 氏は次のように説明しています。そして、特異点と事象の地平線の間のこの衝突の結果が、恐ろしいファイアウォールです。
特異点がブラック ホールの奥深くから事象の地平線に移動するという精神的なイメージは、スタンフォードのワークショップ中に少なくとも 1 回は憤慨した爆発を引き起こしました。Bousso 氏の反応は理解できるものでした。 「私たちは動揺するべきです」と彼は言いました。 「これは一般相対性理論へのひどい打撃です。」
ファイアウォールに対する彼の懐疑的な姿勢にもかかわらず、彼はこの議論に参加できることを非常に喜んでいます。 「これはおそらく、物理学を始めて以来、私に起こった最もエキサイティングなことです」と彼は言いました。 「これは間違いなく、私にとって最高のパラドックスであり、それに取り組むことに興奮しています。」
ファイアウォールによるアリスの死は、物理学における古典的な思考実験の仲間入りをする運命にあるようです。物理学者が量子重力について学べば学ぶほど、宇宙がどのように機能するかについての現在のイメージとは異なるように見え、科学の進歩の祭壇で大切な信念を次々と犠牲にすることを余儀なくされています.今、彼らはユニタリティーかノードラマのどちらかを犠牲にするか、場の量子論を根本的に修正するかを選択しなければなりません。あるいは、それはすべてひどい間違いにすぎないのかもしれません。どのように考えても、物理学者は何か新しいことを学ばなければなりません。
