ひも理論、ホログラフィック原理、および過去半世紀にわたるその他の大きな物理学のアイデアのパイオニアであるレナード サスキンドは、ブラック ホールに関する重要なパズルに対する解決策を提案しました。問題は、これらの神秘的で目に見えない球体は、外から見ると一定のサイズにとどまっているように見えますが、内部の体積は本質的に永遠に増加し続けることです.これはどのように可能ですか?
最近の一連の論文と講演で、78 歳のスタンフォード大学の教授と彼の共同研究者は、ブラック ホールの量が増えているのは、その複雑さが着実に増加しているためだと推測しています。ブラック ホール内の重力の性質
ブラック ホールは、光でさえ脱出できない極度の重力の球状領域です。アルバート アインシュタインの一般相対性理論の方程式に対する衝撃的な解として 1 世紀前に最初に発見されて以来、それらは宇宙全体で検出されています。 （それらは通常、死んだ星の内側への重力崩壊から形成されます。） アインシュタインの理論では、重力は宇宙の 4 次元構造である時空のカーブと同一視されていますが、ブラック ホールでは重力が非常に強くなり、時空がファブリックは、ブラック ホールの中心にある無限に密度の高い「特異点」である限界点に向かって曲がります。
一般相対性理論によれば、内向きの重力崩壊は止まることはありません。外側から見ると、ブラック ホールは一定のサイズのままで、新しいものがそこに落ちたときにのみわずかに拡大するように見えますが、空間が中心点に向かって伸びるにつれて、その内部の体積は常に大きくなります。この永遠の成長を単純化した図として、ブラック ホールを、時空の構造を表す 2 次元シートから下方に伸びるじょうごとして想像してください。じょうごはますます深くなり、落下物が底の不思議な特異点に到達することはありません。実際には、ブラック ホールは 3 つの空間方向すべてから内側に伸びるじょうごです。 「事象の地平線」と呼ばれる球状の境界がそれを取り囲み、後戻りできない点を示しています。
少なくとも 1970 年代以降、物理学者は、ブラック ホールが宇宙の他のすべてのものと同様に、実際にはある種の量子系であるに違いないことを認識していました。アインシュタインの理論が内部のゆがんだ時空として説明しているものは、おそらく実際には、重力の真の量子論によって説明されている「グラビトン」と呼ばれる膨大な数の重力粒子の集合状態です。その場合、ブラック ホールの知られているすべての特性は、この量子系の特性をたどる必要があります。
実際、1972 年にイスラエルの物理学者ジェイコブ ベケンスタインは、ブラック ホールの球状事象の地平線の面積がその「エントロピー」に対応することを発見しました。これは、ブラック ホール内のすべての粒子の可能な微視的配置の数、または現代の理論家が説明するように、ブラック ホールの情報保存容量です。
Bekenstein の洞察により、2 年後、スティーブン ホーキングは、ブラック ホールには温度があり、したがって熱を放射していることに気づきました。この放射により、ブラック ホールがゆっくりと蒸発し、ブラック ホールに落ちた情報がどうなるかを問う、よく議論されている「ブラック ホール情報のパラドックス」が生じます。量子力学によれば、宇宙には過去に関するすべての情報が保存されています。しかし、中心特異点に向かって永遠に滑り落ちるように見える落下物に関する情報も、どのように蒸発するのでしょうか?
ブラック ホールの表面積とその情報量との関係は、量子重力研究者を何十年も忙しくさせてきました。しかし、次のような質問もあるかもしれません:その内部の体積の増加は、量子的には何に対応するのでしょうか? 「何らかの理由で、何年もの間、私を含め、誰もそれが何を意味するのかを本当に考えていませんでした」とサスキンドは言いました. 「伸びているものは何ですか？それは、ブラック ホール物理学の主要なパズルの 1 つだったはずです。」
近年、量子コンピューティングの台頭に伴い、物理学者は、あたかも量子コンピューターであるかのように、ブラック ホールのような物理システムの情報処理能力を研究することで、新しい洞察を得ています。この角度により、Susskind と彼の共同研究者は、ブラック ホールの成長する体積の根底にある進化する量子特性の候補を特定しました。変化しているのは、ブラック ホールの「複雑さ」であり、ブラック ホールが形成された瞬間の初期の量子状態を回復するために必要な計算の数のおおよその尺度であると、理論家は言います。ブラック ホールが形成された後、ブラック ホール内の粒子が相互に作用するにつれて、それらの初期状態に関する情報はますます混乱します。その結果、その複雑さは継続的に増大します。
ブラック ホールをホログラムとして表すおもちゃのモデルを使用して、Susskind と彼の共同研究者は、ブラック ホールの複雑さと量が両方とも同じ速度で成長することを示し、一方が他方の根底にある可能性があるという考えを支持しています。また、Bekenstein は、ブラック ホールがその表面積から考えられる最大量の情報を保存できると計算しましたが、Susskind の調査結果は、ブラック ホールが物理法則によって許される最速の速度で複雑性も増していることを示唆しています。
カリフォルニア工科大学の理論物理学者で、量子情報理論を使用してブラック ホールも研究しているジョン プレスキルは、サスキンドのアイデアが非常に興味深いと考えています。 「計算の複雑さのこの概念は、コンピューター科学者が考えるかもしれないものであり、通常の物理学者のトリックの一部ではありません」と Preskill は言いました。考えるべき一般相対性理論、つまりブラック ホール内部の成長を知っている人です。
研究者たちは、Susskind の論文が意味することについてまだ頭を悩ませています。スタンフォード大学の理論家であるアーロン ウォール (間もなくケンブリッジ大学に移る) は、「この提案は刺激的ではありますが、まだ推測にすぎず、正しくない可能性があります」と述べています。課題の 1 つは、ブラック ホールのコンテキストで複雑さを定義することであり、量子相互作用の複雑さが空間ボリュームをどのように生じさせるかを明らかにすることです、と Wall は言いました。
ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所のブラック ホールの専門家である Douglas Stanford 氏によると、潜在的な教訓は、「ブラック ホールには非常に長い間時間を保つ一種の内部時計があるということです。通常の量子システムの場合、これは状態の複雑さです。ブラック ホールの場合、それは地平線の後ろの領域のサイズです。」
複雑さがブラック ホールの空間量の根底にあるとすれば、Susskind は宇宙論全般の理解に影響を与えると考えています。 「時間とともに成長するのはブラックホールの内部だけではありません。宇宙論の空間は時間とともに拡大します」と彼は言いました。 「宇宙の宇宙的成長がある種の複雑性の成長と関連しているかどうかは、非常に興味深い問題だと思います。そして、宇宙の進化である宇宙時計が、複雑さの進化とつながっているのか。答えはわかりません。」
