ブラックホール研究所の紹介
ふさわしく、ブラック ホール イニシアチブ (BHI) は、カール シュヴァルツシルトがアインシュタインの一般相対性理論の方程式を解いてから 100 年後に設立されました。時空のエキゾチックな構造として、ブラック ホールは天文学者、物理学者、数学者、哲学者、一般大衆を魅了し続けており、その神秘的な性質に関する 1 世紀にわたる研究が続いています。
BHI の使命は学際的であり、その目的のために、さまざまな分野の研究者間の交流をサポートする環境を作り出す多くのイベントを後援しています。哲学者は数学者、物理学者、天文学者と話し、理論家は観察者と話し、一連の予定されたイベントは人々が定期的に集まる場を作ります。
例として、私たちが関心を持っている問題として、アインシュタインの重力理論の崩壊を示すブラック ホールの中心にある特異点を考えてみましょう。特異点は、量子力学の文脈ではどのように見えるでしょうか?最も可能性が高いのは、小さな体積内に巨大な質量 (天体物理学のブラック ホールの数個の太陽質量以上) が極端に集中しているように見えることです。天体物理学のブラック ホールに落ちたすべての物質を排出する貯水池のサイズは不明であり、BHI の学者が取り組んでいる未解決の問題の 1 つです。
BHI の最初のエッセイ コンペティションに寄せられた多くの応募の中から、シニア ファカルティが慎重に選んだエッセイのコレクションを発表できることを嬉しく思います。 受賞エッセイはこちらで公開されます Nautilus 次の 5 週間にわたって、5 位のフィニッシャーから始まり、1 位のフィニッシャーまで作業を進めます。 私たちと同じように楽しんでいただけることを願っています。
—アブラハム (アヴィ) ローブ
Frank B. Baird, Jr. ハーバード大学科学教授
ハーバード天文学科長
ブラック ホール イニシアチブ (BHI) 創設ディレクター
上る道も下る道も同じです」と賢者は言います。
パラドックスには、思考を悩ませる方法があります。それは、私たちが経験から理解する概念の矛盾と不備を明らかにします。それは、理解自体と同様に、私たちの理解の枠組みにも疑問を投げかけます。矛盾を乗り越えようとして構築された思考の塔が何であれ、ぐらつき、わずかな混乱で崩壊します。しかし、それを巧みに使いさえすれば、ひらめきのツールにもなり得ます。哲学者ヘラクレイトスはこれを理解していましたが、パラドックスに対する彼の親和性により、彼は仲間から「オブスキュア」という異名を獲得しました。今日、物理学者はブラック ホールの性質をより深く理解するためにパラドックスを受け入れなければなりません。
ヘラクレイトスにとって、思考の難しさは、私たちが世界を処理する方法に固有のものでした.私たちの外的自然体験は、直接処理されるのではなく、発達し、時間の経過とともに相互にリンクされる概念のウェブを通してフィルタリングされます.注意を怠ると、自然を理解するために使用する概念とカテゴリーの混乱が自然そのものと混同されてしまいます。私たちは、世界がどのように見えるかを伝えるレンズとして機能するモデルと理論を開発します。しかし、私たちが作成した Web に世界がうまく適合していないために、異なるモデルや異なる概念の間に緊張が生じることがあります。パラドックスもそうです。パラドックスは、私たちがどのレンズを使用しているかによって、パラドックスの外観 (何が逆説的かを理解する方法) に依存するため、私たちを苛立たせます。思考において、私たちは重要でない区別を導入し、パラドックスがそれらを切り裂きます。
「サークルでは、始まりと終わりは共通です」とヘラクレイトスは言います。
この状況は物理学においても同様に当てはまり、物理学の中でもブラック ホールの研究ほど明白な場所はありません。ブラック ホールは、現代物理学において特権的な場所を占めています。ブラック ホールの特異点は、その核心部分であり、最も成功した 2 つの物理モデル (曇った暗いレンズ) が出会うと予想されます。一般相対性理論は、「時空が物質にどのように動くかを伝える。物理学者のジョン・ウィーラーが有名かつ簡潔に説明したように、物質は時空の曲がり方を教えてくれます。理論の方程式は本質的に幾何学的であり、抽象的な数学的オブジェクトのさまざまな形状を研究する数学の分野から借用しています。形状と曲率の観点から重力の現象を説明し、時空をその中を動き回る質量に応じて曲がったり拡大したりするオブジェクトとして扱います。空間と時間は、もはやアクションが行われるステージではなく、プレイヤー自身がそのステージにいます。
これらのフレームワークの 2 番目である量子論は、まったく別の獣です。これは、粒子と光の動作を最小スケールで記述したもので、しばしば紛らわしい用語で表現されます。しかし、この混乱の多くは、日常の経験という古典的な世界を理解するために開発され、訓練された私たち自身の絡み合った思考の網から生じています.任意の量子論では、粒子などのオブジェクトは、一連の連続した状態を通じて所定の方法で時間とともに進化する特定の量子状態を持っています。しかし、これらの状態の特性は奇妙です。エンタングルメントは、おそらくすべてのプロパティの中で最も基本的な量子であり、「ここ」と「あそこ」がどれだけ離れているかに関係なく、ここの量子オブジェクトとそこの量子オブジェクトの間に奇妙な相関関係を生じさせます (アインシュタインがそれを「離れた場所での不気味なアクション」）。時空は、十分に綿密に調べると、仮想粒子が出現したり消滅したりして、真空を流動中の量子泡に変える仮想粒子で溢れています。それでもなお、世界の量子的な奇妙さにもかかわらず、理論は粒子の挙動を驚くべき程度に適切に予測します.
「物事が落ち着くのは変化の中にある」とヘラクレイトスは言います。
ブラック ホールは、それぞれの理論の境界に位置し、両方の理論の間の不快な位置を占めています。ここで、私たちの理論は崩壊します。何かが間違っている最初の兆候は、一般相対性理論の方程式から得られます。時空の曲率を記述する方程式は、ゼロによる除算という数学の基本的な罪を犯し、その過程で無意味な無限大を吐き出します。時空の構造は、特異点の存在下に置かれた莫大なストレスから実際に穴が開いているかのようです。これは、私たちの方程式では説明できません。同様の内訳を持つ他の古典的な理論では、量子論が助けになりました。 20 世紀前半の物理学の研究の多くは、古典理論を「量子化」することで行われました。量子用語でオブジェクトを記述することによって、これらの無意味な記述を取り除きました。しかし、同じプロセスが一般相対性理論で試みられ、量子重力の理論を書き留めようとすると、数学的な問題よりもずっと前に概念的な問題が発生します。 ある場合、時空は時間とともに進化する量子状態を持つとどのように説明できますか 時間?
理論の間のこのような暗い風景では、パラドックスが前進する方法です.ヘラクレイトスの天才は、言語では説明できない真実を説明する手段としてパラドックスを利用する彼の能力です。物理学では、ブラック ホールの情報のパラドックスは、ブラック ホールのあいまいさの沼地からのガイドです。このパラドックスは、量子論と一般相対論の間の根本的な対立を捉えています。ブラック ホールが一般相対性理論の要求どおりに動作する場合、ブラック ホールに陥るオブジェクトは量子論の要求どおりに動作できないと述べています。逆に、ブラック ホールに落ちた量子オブジェクトが期待どおりに動作する場合、ブラック ホールの幾何学的記述は誤りであるに違いありません。どちらの理論を支持しようとも、もう一方の理論は捨て去らなければなりません。
このパラドックスは、2 つの事実から生じます。 1つは、量子システムが「ユニタリ」方式で進化することです。つまり、ある時点でのシステムの量子状態が与えられると、他の時点での量子状態は一意に決定できます。状態に関する情報は保存されていると言われています。 2 つ目は、ブラック ホールが蒸発することであり、一般相対性理論によれば、ブラック ホールが蒸発した後の時空の観測者にとって、最初の量子システムについて入手できる情報は不完全です。彼らはもはや初期状態を決定することができず、まるで量子情報が破壊されたかのようです.
このパラドックスに取り組む中で、研究者は足場を見つけ始めました。解決策を探している物理学者は、量子力学と幾何学の間の二重性を提供することによってパラドックスを緩和することを提供する、量子論と重力に固有の幾何学との間の接続に気付きました。あるレンズを通して量子論のように見える理論は、別のレンズを通しては重力理論のように見えるかもしれません。これがホログラフィックの原理です (示唆されているように、宇宙が実際に SF で見られるさまざまなホログラム)。 2 つの視点の間の辞書が作成され始め、研究者は一方の理論のいくつかの側面を他方の観点から理解できるようになりました。 ER=EPR (Einstein-Rosen bridges =Einstein-Podolsky-Rosen のペア、絡み合ったオブジェクトのペア) として知られる予想における、この一連の調査の終点の 1 つです。 Juan Maldacena と Leonard Susskind によって提案されたこのアイデアは、2 つの絡み合った量子システムの動作が、マイクロ ワームホールによって接続された 2 つの分離したシステムによって二重に記述できると推測しています。一方のレンズで量子の奇妙さとして見えるものは、もう一方の奇妙な幾何学にあります。
パラドックスを真にヘラクリテ派が受け入れると、さらに進んで、理論のタイプ間の理論上の区別が重要ではないことを認識することになります。一部のオブジェクトを「量子」と表現し、一部を「幾何学的」と表現するのは、私たちの経験を処理する複雑な概念の網の目の結果です。ヘラクレイトスにとって、あるものは量子とラベル付けされ、あるものは幾何学的とラベル付けされる結果となる特性のソートは人工的です.これらの区別への私たちの依存は、自然を「ガラス越しに暗く」見る運命にあるものです。しかし、パラドックスの矛盾と武装し、常に私たちの概念の限界を押し広げ、探求することで、明確な瞬間を達成することができます.ヘラクレイトスは、重力と量子力学は同一であるため、特異点でも重力と量子力学の間に矛盾はないと言うでしょう。もつれは幾何学です。
上りは下りです。
確かに、この明晰な瞬間が完全になるのはまだ先のことです。 ER=EPR 予想は予想のままであり、当面はそうなり続ける可能性が高い。そして、ブラック ホール研究の他の道筋は、ER=EPR によって提案される統一性を回避するパラドックスへの解決策を示しています。明らかなことは、物理学者は自然を理解する上でパラドックスの役割を受け入れなければならないということです。矛盾したものとのそのような快適さはめったに簡単ではなく、最終的な明快さは決して保証されません.おそらく、そうあるべきである。
「隠れた調和は明白なものよりも優れています」とヘラクレイトスは言います。
Gabriel Lynch はシカゴ大学を最近卒業し、そこで物理学を学び、ブラック ホールと量子情報に関する研究を行いました。彼はシカゴの近くに住んでいます。
このエッセイは、ブラック ホール研究所のエッセイ コンテストで 3 位になりました。
追加資料
Maldacena, J. &Susskind, L. 絡み合ったブラック ホールのクールな地平線。 Fortschritte der Physik 61 （2013）。 DOI:10.1002/prop.201300020 から取得。
ウォルド、R.M. 一般相対性理論 シカゴ大学出版局 (2009).
ホイールライト、P.E. ヘラクレイトス オックスフォード大学出版局 (1959).
