1985 年、カール セーガンが小説 Contact を書いていたとき 、彼は主人公のエリー・アロウェイ博士を地球から星のベガにすばやく輸送する必要がありました。彼は彼女をブラックホールに入らせ、何光年も離れたところから出させましたが、これが意味があるかどうかはわかりませんでした.コーネル大学の天体物理学者であり、テレビのスターでもある彼は、カリフォルニア工科大学のブラック ホール専門家である友人のキップ ソーン (今月初めにノーベル賞を受賞) に相談しました。ソーンは、アロウェイがブラック ホールを経由してベガに到達できないことを知っていました。ブラック ホールは、落ちたものを閉じ込めて破壊すると考えられています。しかし、アルバート アインシュタインの一般相対性理論と一致する別の種類のホールを利用する可能性があることに彼は思いつきました。 :時空の離れた場所を結ぶトンネルまたは「ワームホール」。
最も単純な理論上のワームホールは、何かが通過する前にすぐに崩壊して消えますが、ソーンは、「無限に進歩した」SF 文明がワームホールを何かまたは誰かが通過するのに十分な時間安定させることができるかどうか疑問に思いました.彼は、そのような文明が実際にワームホールの喉を「エキゾチックな物質」で覆い、その崩壊傾向を打ち消すことができることを発見しました.物質は負のエネルギーを持っており、それが放射線をそらし、時空をそれ自体から遠ざけます。 Sagan は Contact でトリックを使用しました 、詳細に入るのを避けるために、エキゾチックな素材の発明を以前の失われた文明に帰する.一方、これらの詳細は、通過可能なワームホールとその理論的意味を何年もかけて調査したソーン、彼の学生、および他の多くの物理学者を魅了しました。彼らは、これらのワームホールがタイム マシンとして機能し、タイムトラベルのパラドックスを呼び起こすことができることを発見しました。これは、エキゾチックな素材が本質的に禁止されているという証拠です.
それから数十年が経ち、新種の通過可能なワームホールが出現しました。エキゾチックな物質がなく、物理学者がブラック ホールに関する不可解なパラドックスを解決するのに役立つ可能性に満ちています。このパラドックスは、Contact の初期のドラフトを悩ませた問題そのものです。 そして、最初にトラバース可能なワームホールを熟考するようにソーンを導きました。つまり、ブラック ホールに落ちたものは跡形もなく消えていくように見えるということです。この情報の完全な消去は、量子力学のルールを破り、専門家を非常に当惑させるので、近年、ブラック ホールの内部は実際には存在しないと主張する人もいます。その空間と時間は奇妙に地平線で終わっています。
一連の調査結果は昨年、開いたままにしておくためにエキゾチックな物質を挿入する必要がない、最初の通過可能なワームホールを報告した論文から始まりました。代わりに、ハーバード大学のピン・ガオとダニエル・ジャフェリス、およびスタンフォード大学のアロン・ウォールによると、ワームホールの喉の反発的な負のエネルギーは、ワームホールの2つの口を形成するブラックホールのペア間の特別な量子接続によって外部から生成される可能性がある. .ブラック ホールが正しい方法で接続されている場合、何かがブラック ホールに放り込まれ、ワームホールに沿って移動し、外宇宙で特定のイベントが発生した後、2 番目の宇宙から出ます。驚くべきことに、Gao、Jafferis、Wall は、彼らのシナリオが量子テレポーテーションと呼ばれるプロセスと数学的に同等であることに気付きました。これは、量子暗号の鍵であり、研究室の実験で実証することができます。
カリフォルニア工科大学のブラック ホールと量子重力の専門家である John Preskill は、新しい通過可能なワームホールは驚きであり、ブラック ホールの情報のパラドックスとブラック ホールの内部に影響を与えると述べています。 「私が本当に気に入っているのは、観測者がブラック ホールに入り、そこから脱出して、自分が見たものについて話すことができるということです」と彼は言いました。これは、ブラック ホールの内部が実際に存在することを示唆しており、入ったものは必ず出てくると彼は説明しました。
不可解な方程式
新しいワームホールの研究は、2013 年に Jafferis が韓国で開催された Strings カンファレンスで興味深い講演に参加したときに始まりました。講演者で、ニュージャージー州プリンストンの高等研究所の物理学教授である Juan Maldacena は、最近、さまざまなヒントや議論に基づいて、「ER =EPR」と結論付けました。つまり、時空の離れた点の間のワームホールは、アインシュタイン・ローゼンまたは「ER」ブリッジと呼ばれる最も単純なものであり、アインシュタイン・ポドルスキーとしても知られる絡み合った量子粒子と同等です (いくつかの不明確な方法ではありますが)。ローゼンまたは「EPR」ペア。スタンフォード大学の Maldacena と Leonard Susskind によって提唱された ER =EPR 予想は、一般相対性理論によって支配される時空幾何学を、遠距離間の瞬間的な量子接続に結び付けることによって、悪名高いブラック ホール情報のパラドックスの現代化を解決しようとする試みでした。アインシュタインが「遠く離れた不気味な行動」と呼んだ離れた粒子。
このパラドックスは、1974 年に英国の物理学者スティーブン ホーキングがブラック ホールが蒸発することを発見して以来、迫りつつあります。ブラック ホールは、現在「ホーキング放射」として知られる粒子の形でゆっくりと熱を放出しています。ホーキングは、この熱が完全にランダムであると計算しました。ブラックホールの内容に関する情報は含まれていません。ブラック ホールが瞬く間に消えてなくなると、内部に入ったすべての宇宙の記録も消失します。これは、量子論のバックボーンである「ユニタリティ」と呼ばれる原則に違反しています。この原則では、粒子が相互作用するとき、それらに関する情報は失われることはなく、スクランブルされるだけです。したがって、宇宙の量子進化で時間の矢印を逆にすると、過去の正確な再現へと物事が解き放たれるのを見てください。
ほとんどの人が単一性を信じています。つまり、情報はブラック ホールから逃れなければならないということです。過去 5 年間、何人かの理論家、特にカリフォルニア大学サンタバーバラ校のジョセフ ポルチンスキーは、ブラック ホールは内部がまったくない空の殻であると主張してきました。 「ファイアウォール」で、再び放射します。
多くの理論家は、ブラック ホールの内部 (および地平線上でのより緩やかな遷移) を信じていますが、それらを理解するには、内部にある情報の運命を発見する必要があります。これは、量子スケールで極度の重力が作用するブラック ホールの内部で最も鮮明な浮き彫りになる自然の量子と時空間の記述の長い間求められていた結合である重力の実用的な量子理論を構築するために重要です。
量子重力接続は、Maldacena とその後の Jafferis を ER =EPR のアイデアとワームホールに引き寄せたものです。時空のトンネルと ER =EPR によってもたらされる量子もつれの間の暗黙の関係は、空間が本質的に量子もつれによって存在するように縫い合わされているという一般的な最近の信念と共鳴しました。ワームホールは、時空をつなぎ合わせ、ブラック ホールの情報をブラック ホールからワームアウトさせる役割を果たしているように見えましたが、これはどのように機能するのでしょうか? Jafferis は、Maldacena が彼の不可解な方程式とその証拠について話しているのを聞いたとき、標準的な ER ワームホールが不安定で通過できないことに気付きました。しかし彼は、マルダセナの二重性が、ソーンらが何十年も前に遊んだワームホールのような通過可能なワームホールにとって何を意味するのか疑問に思いました。韓国での会談から 3 年後、Jafferis と彼の共同研究者である Gao と Wall は、彼らの答えを提示した。この研究は、標準的なワームホールと絡み合った粒子のペアではなく、通過可能なワームホールと量子テレポーテーションを同一視することにより、ER =EPR のアイデアを拡張します。1993 年に発見されたプロトコルで、量子システムが消えて別の場所に無傷で再出現することを可能にします。
Maldacena が Gao、Jafferis、Wall の論文を読んだとき、「私はそれを本当に素晴らしいアイデアだと思いました。誰かがあなたに話した後、それは明らかなアイデアの 1 つです」と彼は言いました。 Maldacena と 2 人の共同研究者、Douglas Stanford と Zhenbin Yang は、ブラック ホールの情報のパラドックスに対する新しいワームホールの影響をすぐに調査し始めました。彼らの論文は4月に発表されました。 Susskind とスタンフォード大学の Ying Zhao は、これに続いて 7 月にワームホール テレポーテーションに関する論文を発表しました。ワームホールは、「テレポーテーションがどのように発生するかについて、興味深い幾何学的な図を提供します」と Maldacena 氏は述べています。 「メッセージは実際にワームホールを通り抜けます。」
ワームホールに飛び込む
Fortschritte der Physik に掲載された彼らの論文「Diving Into Traversable Wormholes」では、 、Maldacena、Stanford、および Yang は、2 つのブラック ホールを接続する新しい種類のワームホールを検討しています。親ブラック ホールと、親ブラック ホールが蒸発するときに放出されるホーキング放射の半分から形成される娘です。 2 つのシステムは可能な限り絡み合っています。ここで、古いブラック ホールの情報の運命は明らかです。それは娘ブラック ホールから出て行きます。
控えめなアルゼンチン系アメリカ人で、影響力のある洞察力の実績を持つマルダセナ氏は、IAS の静かなオフィスでの今月のインタビューで、彼の急進的な思索について説明しました。チョークで汚れた黒板の右側に、Maldacena は新しい通過可能なワームホールによって接続された 2 つのブラック ホールのかすかな絵を描きました。左側では、絡み合った量子粒子 a を所有している、有名な架空の実験者アリスとボブによって実行された量子テレポーテーション実験をスケッチしました。 そしてb 、 それぞれ。アリスが量子ビット q をテレポートしたいとします。 ボブに。彼女は q の複合状態を準備します そしてa、 その組み合わせた状態を測定し (1 か 0 の従来のビットのペアに減らします)、この測定結果をボブに送信します。これを b を操作するためのキーとして使用できます。 状態を再現する方法で q .ほら、量子情報の単位が、ある場所から別の場所にテレポートしました。
マルダセナは黒板の右側を向いた。 「（量子テレポーテーションについて）私が議論したことと道徳的に同等のブラックホールのペアで操作を行うことができます。そして、その写真では、このメッセージは実際にワームホールを通り抜けています。」
Alice が量子ビット q を投げたとします。 ブラック ホール A に入ります。次に、そのホーキング放射の粒子 a を測定します。 、および外部宇宙を介して測定結果をボブに送信します。ボブは、この知識を使用して b を操作できます。 、ブラック ホール B から出てくるホーキング粒子。ボブの操作は q を再構築します これは、A に落ちた粒子と完全に一致します。これが、一部の物理学者が興奮している理由です。Gao、Jafferis、および Wall のワームホールにより、ブラック ホールから情報を回復できます。彼らの論文では、ワームホールを負に湾曲した時空幾何学に設定しました。これは、量子重力理論家にとって、非現実的ではあるが便利な遊び場として役立つことがよくあります。しかし、彼らのワームホールのアイデアは、2 つのブラック ホールが正しい方法で結合されている限り、現実世界にまで及ぶようです。ジャフェリスは説明した。一方のブラック ホールからのホーキング放射がもう一方のブラック ホールに落ちるのを許すと、2 つのブラック ホールが絡み合い、一方に落ちた量子情報が他方から出ることができます。
量子テレポーテーション形式では、これらの通過可能なワームホールをタイム マシンとして使用することはできません。ワームホールを通過するものはすべて、ボブのブラック ホールを出る前に、アリスのメッセージが外の宇宙のボブに伝わるのを待たなければならないため、ワームホールはタイムトラベルに利用できる超光速ブーストを提供しません。通過可能なワームホールは、速度の利点がない限り、本質的に許可されるようです。 「通過可能なワームホールは、銀行の融資を受けるようなものです」と、Gao、Jafferis、および Wall は論文で次のように書いています。
素朴なタコ
通過可能なワームホールが宇宙旅行に革命を起こすわけではありませんが、プレスキルによれば、新しいワームホールの発見は、ブラック ホールの地平線にファイアウォールがないことを示唆することで、ブラック ホールのファイアウォールの問題に「有望な解決策」を提供します。 Preskill 氏は、この発見は「ブラック ホールの相補性」と呼ばれるものを救うものであり、これは、ブラック ホールの内部と外部が実際には 2 つの異なるシステムではなく、同じシステムを見る 2 つの非常に異なる補完的な方法であることを意味します」と述べています。広く想定されているように、補完性が成り立つ場合、ブラック ホールの地平線を横切る際に、ある領域から別の領域へ 接触 のエリー・アロウェイは、何か変なことに気付かないでしょう。これは、特定の条件下で、彼女が Gao-Jafferis-Wall ワームホールをずっとスライドすることさえできれば、より可能性が高いと思われます.
ワームホールは、少なくとも研究対象の絡み合ったブラック ホールについては、情報が失われないという原則である単一性も保護します。 1 つのブラック ホールに落ちたものは何でも、最終的にはホーキング放射として別のブラック ホールから出る、と Preskill 氏は述べています。
調査結果を論理的な結論に導くと、プレスキルは、放射を操作することで、これらのブラック ホールの 1 つの内部に影響を与えることが (少なくとも無限に進歩した文明では) 可能であるべきだと考えています。これは「ばかげているように聞こえる」と彼は電子メールに書いているが、「ブラック ホール (EPR) と絡み合っている放射線が、ワームホール (ER) によってブラック ホールの内部に接続されていると考えることができれば、理にかなっているかもしれない。放射線をくすぐると、ブラック ホールの内部から読み取ることができるメッセージを送信できます。」彼は、「この写真をより詳細に肉付けする前に、まだ道が残っています.」
実際、新しいワームホールの発見を、すべての量子情報の運命、または ER =EPR の意味についての声明に一般化するための探求には、障害が残っています。
ER =EPR を提案する Maldacena と Susskind の論文には、「タコ」として知られるようになったスケッチが含まれていました。触手のようなワームホールがあり、そこから蒸発した遠くのホーキング粒子につながるブラック ホールです。著者らは、スケッチが「ブラック ホールとホーキング放射の間の絡み合いパターンを示している」と説明しています。このもつれがブラック ホールの内部形状につながると期待しています。」
しかし、1990 年代からワームホールを研究してきた、ニュージーランドのウェリントンにあるビクトリア大学の数学者で一般相対性理論の専門家である Matt Visser によると、タコの絵の最も文字通りの解釈はうまくいきません。単一のホーキング粒子から形成されたワームホールののどは非常に薄いため、キュービットは決して通り抜けることができません。 「通過可能なワームホールの喉は、喉の半径よりも小さいサイズのパケットを波立たせるためにのみ「透過的」です」と Visser は説明しました。 「大きな波のパケットは、反対側に渡ることなく、小さなワームホールの喉から跳ね返ります。」
Maldacena と Yang と共に最近の論文を共同執筆した Stanford は、これが ER =EPR の考え方の最も単純な解釈の問題であり、ホーキング放射の各粒子が独自の触手のようなワームホールを持っていることを認めました。しかし、彼や他の人々が念頭に置いている ER =EPR のより推測的な解釈は、この失敗に悩まされることはありません。 「この通過可能なワームホールを使用してホーキング放射から情報を回復するには、ホーキング放射を集めて、複雑な方法で行動する必要があるという考えです」とスタンフォードは言いました。この複雑な集団測定により、落下した粒子に関する情報が明らかになります。それは、「小さくて役に立たないタコの触手から、通過可能な大きなワームホールを作成する」という効果があると彼は言いました。情報は、この大きなワームホールを介して伝播します。」 Maldacena は、簡単に言えば、量子重力理論は、ER が EPR に等しい幾何学の新しい一般化された概念を持っている可能性があると付け加えました。 「量子重力はこの原則に従うべきだと考えています」と彼は言いました。 「私たちはそれを理論へのガイドと見なしています。」
1994 年の人気のある科学書、ブラック ホールとタイム ワープ 、キップ・ソーンは、ワームホール研究に関わる推論のスタイルを称賛しました. 「カール・セーガンの私への電話によって引き起こされたタイプよりも、物理法則をより強く押し進めるタイプの思考実験はありません」と彼は書いています。 「『物理法則は無限に進歩した文明が何をすることを許し、何を禁じているのか』と問う思考実験」
