ひも理論家のビジェイ・バラスブラマニアンは、宇宙のゴミ箱であるブラック ホールに取り組んでいます。ペンシルバニア大学とニューヨーク市立大学大学院センターでの素粒子物理学に関する彼の研究は、ブラック ホールの存在下での情報の明らかな損失に疑問を投げかけています。この作品は、時空の構造から人間の心の認知的な「場所の感覚」に至るまで、彼の驚くほど幅広い追求のほんの一面にすぎません。次の編集されたインタビューで、Balasubramanian は Nautilus に語っています。 なぜブラック ホールは無限の情報シンクではないのでしょうか。
ブラックホールとは？
空間の小さな領域に十分な量の物質が集中している場合、物質は空間と時間を曲げて、何も逃げることができなくなります。この可能性は、1915 年に一般相対性理論のアインシュタインの方程式を解いていたカール シュヴァルツシルトによって最初に発見されました。それは無限にゆがみ、ボリュームが消失しています。
それで、ブラック ホールは究極のゴミ箱になるのでしょうか?
古典的な重力理論のレベルでは、そうです。理論を説明するアインシュタインの方程式では、一度入ると出られないという奇妙な性質が得られます。しかし、重力が無限に強くなる特異点で、古典的な重力理論は崩壊します。
そこで量子論が重要になるのですか?
1970 年代まで、物理学者は、量子力学的効果が重要になるのは特異点付近だけだと考えていました。しかしその頃、理論物理学者のジェイコブ・ベケンシュタインは、ブラックホールが地平線の面積に比例してエントロピーを運ぶことを実証しました。地平線は、ブラック ホールと宇宙の残りの部分との間の境界を示す境界です。同じ頃、スティーブン・ホーキングは、あたかも暖かく温度を持っているかのように、ブラック ホールも放射することを示唆する論文を書きました。その放射線は現在、ホーキング放射線と呼ばれています。
放射線はどのように作られるのですか?
量子論では、電子とそのパートナーである陽電子のように、粒子と反粒子のペアが空間の真空に現れたり消えたりします。地平線近くでは、これらの粒子の 1 つがブラック ホールに落ち、もう 1 つが宇宙に流れ込み、ブラック ホールが放射しているように見えます。ブラックホールは物質を放射しているため、エネルギーを宇宙に失い、質量が減少します。最終的にブラックホールは完全に蒸発します。私たちの銀河系の中心にあるような大きなブラック ホールは、蒸発するのに宇宙の年齢よりもはるかに長い時間がかかります。小さいものほど時間がかかりません。しかし、いずれにせよ、あなたはゴミ箱から物を取り出しています.
では、結局ブラック ホールは宇宙の残骸の貯蔵庫ではないということですか?
実際、彼らはまだです。ホーキングが思い描いた方法によれば、放射は完全にランダムです。ブラック ホールが放出する各光子または光の粒子は、他のすべての粒子とは独立して出てくるため、放射にはブラック ホールに関する情報はありません。ホーキング放射をどれだけ詳しく見ても、何がブラック ホールに落ちたかはわかりません。情報が失われます。
それは問題になりますか?
ホーキング博士は、情報損失はブラック ホールの必然的な結果であることを認めましたが、その解決策に満足している人は多くありません。それは、情報が常に保存されるという量子力学の中心的な仮定を放棄することを意味するからです。その原則を放棄するには、量子論を大幅に変更する必要があります。そして、現在定式化されている量子論は非常にうまく機能します。アインシュタインの重力理論と並んで、20 世紀の物理学における 2 つの偉大な発見の 1 つです。
解決策はありますか?
おそらく。量子論は、粒子の微視的な状態を説明します。一般相対性理論は、空間と時間の巨視的な説明です。おそらく、一般相対性理論が量子論と融合すると、時空の素粒子の量子力学的特性がパズルを解決するでしょう。おそらく、こうした亜原子の詳細は、アインシュタインの理論による粗雑で巨視的な重力の説明の中で失われているのでしょう。
量子論と重力の融合に進展はありましたか?
はい。実際、このようなパラドックスに遭遇すると、物理学の新しい解決策につながることがよくあります。
1990 年代、量子論を重力と統合しようとする弦理論を使用している科学者は、驚くべきことを発見しました。彼らは、重力のみによって支配される特別なクラスのブラック ホールを含む 3D 宇宙が、重力が存在しないがすべての粒子とフィールドが量子力学の法則に従う 2D 宇宙と同等であることを数学的に示しました。量子論は常に情報を保持するため、2D 宇宙で情報が失われることはありません。また、2 つの宇宙は同等であるため、ブラック ホールのある 3D 宇宙も情報を保存する必要があります。しかし、これがどのように起こるのか正確には誰にもわかりません。
解決策は何だと思いますか?
結局のところ、ホーキング放射がブラック ホールに関する情報をエンコードしている可能性はあります。
最近の論文で、私の同僚と私は、ブラック ホールのさまざまな内部の量子状態を考察しています。異なる量子状態間のエネルギーの分離が非常に小さいため、ホーキング放射を分析してブラック ホールの内容を決定するには、非常に長い、ほぼ無限の時間がかかる可能性があると考えられます。
そういう意味では、ブラックホールは非常に長い間、ゴミ箱としての役割を果たしています。太陽と同じ重さのブラック ホールの場合、これは現在の宇宙の年齢よりもはるかに長い期間になります。したがって、すべての実用的な目的のために、これは永遠です。しかし最終的に、宇宙が終わる前に、ブラック ホールはその内容物をこぼし、スクランブルしてリサイクルします。
Ron Cowen は、メリーランド州シルバー スプリングのフリーランス サイエンス ライターで、天文学と物理学を専門としています。
