ブラックホールと量子状態:理論的衝突 - プリンストン研究所|物理

はじめに

1970 年代初頭のプリンストン大学では、著名な理論物理学者ジョンウィーラーがセミナーや廊下での即興ディスカッションで大きな「U」の字を描いている姿が見られました。手紙の左端は、すべてが不確実であり、すべての量子の可能性が同時に起こっていた宇宙の始まりを表していました。文字の右端は、時には目で飾られており、過去を振り返っている観察者を描いており、これにより U の左側が存在します。

ウィーラーが呼んだこの「参加型宇宙」では、宇宙は U の周りで膨張し、冷却しながら構造を形成し、最終的には人間や測定装置などの観察者を生み出しました。初期の宇宙を振り返ることで、これらの観察者はどういうわけかそれを現実のものにしました。

「彼は、『観察された現象でなければ、どんな現象も真の現象とは言えない』というようなことを言っていました」と、当時ウィーラーの博士課程の学生だったシカゴ大学の理論物理学者、ロバート M. ウォルドは語った。

現在、量子論がブラックホールの地平線上でどのように動作するかを研究することにより、ウォルドと彼の共同研究者らは、ホイーラーの参加型宇宙を示唆する新しい効果を計算しました。彼らは、ブラックホールが存在するだけで、粒子のぼんやりした「重ね合わせ」、つまり複数の潜在的な状態にある状態を、明確に定義された現実に変えるのに十分であることを発見しました。「これは、これらのブラックホールの地平線が監視しているという考えを呼び起こします」と共著者であり、プリンストン大学の理論物理学者であるゴータム・サティチャンドラン氏は述べています。

「私たちが発見したのは、[参加型宇宙] の量子力学的な実現かもしれませんが、そこでは時空そのものが観察者の役割を果たします」と、同じくシカゴ大学の 3 人目の著者である Daine Danielson 氏は述べています。

理論家たちは現在、これらの警戒心の強いブラックホールから何を読み取るべきかを議論しています。アリゾナ大学の理論天体物理学者サム・グララ氏は、「これは、重力が量子力学の測定にどのように影響するかについて、何か深いことを教えてくれているようだ」と述べた。しかし、これが量子重力の完全な理論に向けて一歩ずつ進んでいる研究者にとって役立つかどうかは、まだ誰にもわかりません。

この効果は、量子論を低エネルギーで重力と組み合わせると何が起こるかを研究する物理学者によって、過去10年間に発見された多くの効果のうちの1つです。たとえば、理論家は、ブラックホールをゆっくりと蒸発させるホーキング放射について考えることに大きな成功を収めています。「これまで気づかなかった微妙な影響は、量子重力に向かう方法についての手がかりを集めるための制約を与えてくれます」と、ヴァンダービルト大学の理論物理学者で、今回の新しい研究には関与していないアレックス・ルプサスカ氏は述べています。

これらの観察力のあるブラックホールは、「非常に人を驚かせる」効果を生み出すようだとルプサスカ氏は言いました。「なぜなら、それはなぜか深いように感じられるからです。」

ブラックホールと重ね合わせ

ブラックホールがどのようにして宇宙を観察できるのかを理解するには、小さなことから始めてください。量子粒子がバリア内の 2 つのスリットに向かって発射される、古典的な二重スリット実験を考えてみましょう。通過したものは、反対側のスクリーンによって検出されます。

最初は、移動する各粒子が画面上にランダムに表示されるように見えます。しかし、より多くの粒子がスリットを通過すると、明るい縞模様と暗い縞模様が現れます。このパターンは、各粒子が両方のスリットを同時に通過する波のように振る舞うことを示唆しています。帯域は、波の山と谷が加算されたり、互いに打ち消し合ったりすることによって生じます。これは干渉と呼ばれる現象です。

次に、粒子が 2 つのスリットのどちらを通過するかを測定する検出器を追加します。明暗の縞模様が消えます。観察という行為は粒子の状態を変化させます - その波のような性質は完全に消えます。物理学者らは、検出装置によって得られた情報が量子の可能性を明確な現実に「デコヒーレンス」すると言います。

重要なのは、粒子がどの経路をたどったかを把握するために、検出器をスリットに近づける必要はないということです。たとえば、荷電粒子は長距離電場を放出しますが、その電場は、右側のスリットを通過したか左側のスリットを通過したかに応じて、強度がわずかに異なる可能性があります。この場を遠くから測定しても、粒子がどの経路をたどったか、したがってデコヒーレンスが発生するかについての情報を収集することができます。

2021 年、ヴァルド、サティチャンドラン、ダニエルソンは、仮説上の観察者がこの方法で情報を収集するときにもたらされるパラドックスを調査していました。彼らは、重ね合わせで粒子を作成するアリスという実験者を想像しました。後で、彼女は干渉パターンを探します。粒子は、アリスが観察している間に外部システムとあまり絡まっていない場合にのみ干渉を示します。

次に、粒子の長距離磁場を測定することで、遠くから粒子の位置を測定しようとしているボブがやって来ます。因果関係の法則によれば、ボブからの信号がアリスに届くまでに実験は終了しているはずなので、ボブはアリスの実験の結果に影響を与えることはできません。しかし、量子力学の法則によれば、ボブが粒子の測定に成功した場合、粒子はボブと絡み合い、アリスには干渉パターンが見えなくなります。

トリオは、ボブの行動によるデコヒーレンスの量は、アリスが発する放射線（これも粒子と絡み合う）によって自然に引き起こされるデコヒーレンスよりも常に小さいことを厳密に計算しました。したがって、ボブはアリスの実験を決してデコヒーレントすることはできませんでした。アリスはすでに自分で実験をデコヒーレントしていたでしょう。このパラドックスの初期バージョンは 2018 年に Wald と別の研究者チームによる裏計算で解決されましたが、Danielson はそれをさらに一歩進めました。

彼は共同研究者たちに思考実験を提起しました。「なぜ[ボブの]検出器をブラックホールの後ろに置くことができないのでしょうか?」このような設定では、事象の地平線の外側で重ね合わせられた粒子は、地平線を越える場を放射し、ブラックホール内の反対側のボブによって検出されます。検出器は粒子に関する情報を得るが、事象の地平線は「片道切符」であるため、情報が戻ってくることはできないとダニエルソン氏は述べた。「ボブはブラックホールの内側からアリスに影響を与えることはできないので、ボブなしでも同じデコヒーレンスが発生するはずです」とチームはクアンタに宛てた電子メールで書いています。。ブラックホール自体が重ね合わせをデコヒーレンスする必要があります。

「参加型宇宙のより詩的な言語では、地平線が重ね合わせを観察しているようなものです」とダニエルソンは言いました。

この洞察を利用して、彼らは量子の重ね合わせがブラックホールの時空によってどのような影響を受けるかの正確な計算に取り組み始めました。 1月にプレプリントサーバーarxiv.orgで公開された論文の中で、彼らは、放射線が事象の地平線を越えてデコヒーレンスの発生を引き起こす速度を説明する簡単な式を導き出した。「効果があったということは、私にとっては非常に驚きでした」とヴァルド氏は言いました。

地平線上の髪

イベントホライズンが情報を収集し、デコヒーレンスを引き起こすという考えは新しいものではありません。 2016年、スティーヴン・ホーキング博士、マルコム・ペリー氏、アンドリュー・ストロミンジャー氏は、事象の地平線を横切る粒子が、これらの粒子に関する情報を記録する非常に低エネルギーの放射線を伴う仕組みについて説明しました。この洞察は、ブラックホールが放射線を放出するというホーキング博士の以前の発見の重大な結果である、ブラックホール情報パラドックスの解決策として提案されました。

問題は、ホーキング放射がブラックホールからエネルギーを奪い、時間の経過とともにブラックホールが完全に蒸発してしまうことだった。このプロセスは、ブラックホールに落ちたあらゆる情報を破壊するように見えます。しかし、そうすることは、宇宙の情報は作成も破壊もできないという量子力学の基本的な特徴に矛盾することになります。

このトリオが提案した低エネルギー放射線は、一部の情報をブラックホールの周囲のハロー状に分散させて逃がすことでこれを回避するものだ。研究者らは、情報が豊富なハローを「柔らかい毛」と呼びました。

Wald、Satishchandran、Danielson はブラックホール情報のパラドックスを調査していませんでした。しかし、彼らの作品には柔らかい毛が使われています。具体的には、粒子が地平線を越えて落下するときだけでなく、ブラックホールの外側の粒子が単に別の場所に移動するときにも柔らかい毛が生成されることを示した。外側にある量子の重ね合わせは地平線上の柔らかい毛と絡み合い、研究者らが確認したデコヒーレンス効果が発生します。このようにして、重ね合わせは地平線上に一種の「記憶」として記録されます。

ローレンス・バークレー国立研究所の理論物理学者ダニエル・カーニー氏は、この計算は「柔らかい毛髪の具体的な実現」であると述べた。「これは素晴らしい論文です。そのアイデアを詳細に実現するのに非常に役立つ構造になる可能性があります。」

しかし、カーニーや量子重力研究の最前線で研究している他の数人の理論家にとって、このデコヒーレンス効果はそれほど驚くべきことではありません。マサチューセッツ工科大学の理論物理学者、ダニエルハーロウ氏は、電磁力と重力の長距離特性は、「宇宙の他の部分から何かを隔離しておくのは難しい」ことを意味すると述べています。

完全なデコヒーレンス

著者らは、この種のデコヒーレンスには何か独特の「潜行性」があると主張しています。通常、物理学者は実験を外部環境から遮断することでデコヒーレンスを制御できます。たとえば、真空は近くのガス分子の影響を取り除きます。しかし、重力を遮るものは何もないので、実験を重力の長距離の影響から守る方法はありません。「最終的には、あらゆる重ね合わせが完全にデコヒーレント化されるでしょう」とサティチャンドラン氏は語った。「それを回避する方法はありません。」

したがって、著者らは、ブラックホールの地平線がデコヒーレンスにおいて、これまで知られていたよりも積極的な役割を果たしていると考えている。「宇宙内部の物質とは対照的に、宇宙自体の幾何学的形状がデコヒーレンスの原因である」と彼らはクアンタへの電子メールに書いている。 .

カーニーはこの解釈に異議を唱え、新しいデコヒーレンス効果は因果関係によって設定された規則と組み合わせた電磁場または重力場の結果として理解することもできると述べた。そして、ブラックホールの地平線が時間の経過とともに変化するホーキング放射とは異なり、この場合、地平線には「ダイナミクスがまったくない」とカーニー氏は述べた。「地平線自体は何もしません。私ならそんな言葉は使いたくないです。」

因果関係に違反しないようにするには、ブラックホールの外側の重ね合わせは、ブラックホール内の仮想の観測者がそれらについての情報を収集できる最大の速度でデコヒーレントされなければなりません。「それは、重力、測定、量子力学に関する何らかの新しい原理を示しているようです」とグララ氏は言う。「重力と量子力学が定式化されてから 100 年以上経って、そのようなことが起こるとは予想できません。」

メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン

興味深いことに、この種のデコヒーレンスは、情報が一方向にのみ伝わる地平線がある場所であればどこでも発生し、因果関係のパラドックスが発生する可能性があります。宇宙論的地平線と呼ばれる既知の宇宙の端も、別の例です。あるいは、継続的に加速して光の速度に近づく観察者の背後に形成される「リンドラー地平線」について考えてみましょう。その結果、光線が追いつくことができなくなります。これらすべての「キリングホライズン」（19 世紀末から 20 世紀初頭のドイツの数学者ヴィルヘルムキリングにちなんで名付けられた）は、量子重ね合わせのデコヒーレンスを引き起こします。「これらの地平線は、実際にまったく同じようにあなた方を見ています」とサティチャンドラン氏は言いました。

既知の宇宙の端が宇宙内部のすべてを監視するということが正確に何を意味するのかは、完全には明らかではありません。「私たちは宇宙論的な地平線を理解していません」とルプサスカ氏は言う。「それはとても魅力的ですが、ブラックホールよりもはるかに難しいです。」

いずれにせよ、重力理論と量子理論が衝突するこのような思考実験を提起することで、物理学者は統一理論の挙動について学びたいと考えています。「これにより、量子重力に関するさらなる手がかりが得られる可能性があります」とワルド氏は述べた。たとえば、新しい効果は、理論家がもつれが時空にどのように関係しているかを理解するのに役立つ可能性があります。

「これらの効果は、量子重力の最終的な物語の一部でなければなりません」とルプサスカ氏は述べた。「さて、それらはその理論への洞察を集める過程で重要な手がかりとなるでしょうか? 調査する価値はあります。」

参加型の世界

科学者があらゆる形態のデコヒーレンスについて研究を続けるにつれて、参加型宇宙についてのウィーラーの概念はより明確になってきている、とダニエルソン氏は述べた。宇宙のすべての粒子は、観察されるまでは微妙な重ね合わせ状態にあるようです。明確性は相互作用を通じて現れます。「それは、ウィーラーが念頭に置いていたことだと思います」とダニエルソンは言いました。

そして、ブラックホールやその他のキリングホライズンが「好むと好まざるにかかわらず」常にあらゆるものを観察しているという発見は、他の種類のデコヒーレンスよりも参加型宇宙を「より想起させる」と著者らは述べています。

誰もがウィーラーの哲学を大規模に支持する準備ができているわけではありません。「宇宙が自分自身を観察しているという考えは? それは私にとってちょっとしたジェダイのように思えます」とルプサスカは言いましたが、それでも「すべてのものは相互作用を通じて常に自分自身を観察している」ということに同意します。

「詩的には、そのように考えることができます」とカーニー氏は語った。「個人的には、地平線の存在は、その周囲に存在する田畑が、実に興味深い形で地平線に取り残されることを意味するとだけ言いたい。」

1970年代、ワルドが学生だった頃、ウィーラーが初めて「大きなU」を描いたとき、ワルドはそれをあまり気にしなかった。「ウィーラーのアイデアは、それほどしっかりした根拠に基づいていないように思えました」と彼は言いました。

そして今は？「彼がやったことの多くは熱意と漠然としたアイデアでしたが、後で実際に的を射ていたことが判明しました」とウォルド氏は述べ、ホイーラー氏は効果が計算されるかなり前からホーキング放射を予期していたと指摘した。

「彼は自分自身を、ランプの光を差し出して、他の人々がたどる可能性のある道を照らしていると考えていました。」