新しいワームホールの発見は、ブラックホールを逃れる情報です
新しいワームホールの発見は、ブラックホールを逃れる情報です
(図 ブラックホール クレジットNASA) (Fig.) アーティクル・イメージ
1985年、カール・セーガン(Carl Sagan)氏が小説コンタクト(Contact)を書いていたとき、彼は素早く彼の主人公エリー・アロウェイ(Ellie Arroway)博士を地球からベガ星(Vega)に輸送する必要がありました。彼女をブラックホールに入れ、光年離れた場所から出てこさせましたが、彼はこれが意味をなさないかどうかわからりませんでした。コーネル大学(Cornell University)の天体物理学者でテレビ・スターは、彼の友人で（今月ノーベル賞を受賞した）カリフォルニア工科大学(California Institute of Technology)のブラックホールの専門家のキップ・ソーン(Kip Thorne)氏に相談しました。
ソーン氏は、アロウェイ博士がブラックホールを通ってベガ星に到着できないことを知っていました。ブラックホールは、落ちるものを捕まえて破壊すると考えられているからです。彼女はアルバート・アインシュタイン(Albert Einstein)の一般相対性理論と一致する別の種類の穴を利用するかもしれないことを、彼は思いつきました。すなわち、時空間の遠隔地をつなぐトンネルや「ワームホール(wormhole)」です。最も単純な理論上のワームホールは、すぐに崩壊し何かが通過する前に消滅しますが、ソーン氏は、「無限に進歩した」SF文明が、何かまたは誰かがそれを通過するのに十分長い間、ワームホールを安定させることが可能かどうか思案しました。彼は、そのような文明は、崩壊する傾向を打ち消す「エキゾチックな物質(exotic material)」で、ワームホールの喉を覆う[トンネルの内壁を覆う]ことが実際にできると考えました。
物質は負のエネルギーを持ち、それは放射線をそらし時空間を反発させ、それ自体から離れさせます。 セーガン氏はコンタクトでこのトリックを使用しましたが、このエキゾチックな物質材の発明を早々に採用して、失われた文明の細部に入るのを避けました。 その間に、ソーン氏や彼の学生、そして他の多くの物理学者たちを魅了し詳細部分については、 時間をかけて移動可能なワームホールを探索し、この理論的な意味を探っていました。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(paradoxes)を呼び起こせることを発見しました。エキゾチックな物質は自然界で禁じられてる証拠でもあります。
数十年後の今では、新しい種の通過可能なワームホールが出現し、エキゾチックな物質なしで、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があります。このパラドックスは、コンタクトでの早期の草案を悩ました大問題であり、ソーン氏は最初に通過可能なワームホールを考えようとしました。すなわち、ブラックホールに落ちるものは痕跡なしで消失するようです。この情報の完全消去は量子力学のルールを破るものであり、専門家を混乱させます。近年、ブラックホールの内部が実際には存在しないと主張する者もいます。その時間と空間は奇妙にもブラックホールの地平線で終わるのです。
所見の混乱は、昨年の論文から始まっています。それは開かれたままにするためにエキゾチックな材料の挿入を必要としない最初の通過可能なワームホールを報告したことからです。 代わりに、ハーバード大学(Harvard University)のピン・ガオ(Ping Gao)氏とダニエル・ヤフェリス(Daniel Jafferis)氏、そしてスタンフォード大学(Stanford University)のアーロン・ウォール(Aron Wall)氏によれば、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の間の特殊な量子接続によって、ワームホールの喉の反発的な負のエネルギーは外部から生成されます。 ブラックホールが正しい方法で接続されると、一方に投げ込まれたものがワームホールに沿って揺れ動き、外側の宇宙の特定の事象に従い他方の宇宙に出ます。注目すべきことに、ガオ氏、ヤフェリス氏、ウォール氏は、彼等のシナリオが量子テレポーテーション(quantum teleportation)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。量子テレポーテーションは量子暗号の鍵であり、実験室での実験で実証できます。
カルテック(Caltech)のブラックホールと量子重力の専門家ジョン・プレスキル(John Preskill)氏は、ブラックホール情報のパラドックスとブラックホールのインテリアに影響を与える新しい通過可能なワームホールは、驚きだと述べています。 「私が本当に好きなのは、オブザーバーがブラックホールに入り脱出して、彼女が見たことを伝えることができることです」と彼は述べました。これは、ブラックホールの内部が本当に存在していることを示しています。
新しいワームホールの作業は、ヤフェリス氏が韓国のストリング・カンファレンス(Strings conference)で興味深い講演に参加した2013年に始まりました。 講演者、ニュージャージー州のプリンストン高等研究所(Advanced Study in Princeton)のジュアン・マルダセナ(Juan Maldacena)物理学教授は、様々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、時空間の遠隔地点の間のワームホールで、最も簡単なものはアインシュタイン-ローゼン（Einstein-Rosen）または「ER」ブリッジと呼ばれ、量子粒子がもつれた(曖昧な形ですが)ものです。また、アインシュタイン-ポドルスキー-ローゼン(Einstein-Podolsky-Rosen) または「EPR」のペアとしても知られているものです。スタンフォード大学のマルダセナ氏とレオナルド・サスカインド(Leonard Susskind)氏によって提起されたER = EPRの推測は、アインシュタインが「遠く離れた場面での行動」と呼んだ遠く離れた粒子間に及ぶ瞬間的な量子接続に、一般相対性理論によって支配される時空間幾何学を結びつけることで、悪名高いブラックホール情報パラドックスの現代の化身となった問題を解決しようとする試みでした。
英国の物理学者スティーブン・ホーキング(Stephen Hawking)氏がブラックホールは蒸発すると決定した1974年以来のパラドックスです。今や「ホーキング放射(Hawking radiation)」として知られており、ゆっくりと粒子の形で熱を放ち、ホーキング氏はこの熱が完全にランダムであると計算しました。これには、ブラックホール内に含まれる情報はありません。ブラックホールが存在しなくなると、中に入った総ての宇宙の記録も消えます。 これは「統一性」と呼ばれる原理を破り、粒子が相互作用するときの関する情報が失われることはなく取り合いされ保持する量子論の骨格です。こうしたことから、あなたが宇宙の量子の進化での時間軸を逆転させたなら、あなたは物事が過去の正確な再創造に解放されるのを見ます。
ほぼ総ての人が統一理論を信じています。つまり、情報はブラックホールから、脱出しなければならないということです。どのように。 ここ5年間で、一部の理論家、特にカリフォルニア大学(University of California)サンタバーバラ校(Santa Barbara)のジョセフ・ポリシンスキー(Joseph Polchinski)氏は、ブラックホールは内部のない空の殻だと論じていて、エリー・アロウェイ博士は、ブラックホールの事象の地平線に当たったときに、 「ファイアウォール」で揺らぎ、再び放射状になるだろうと主張しています。多くの理論家は、ブラックホールの内部構造（そしてより穏やかな遷移）を信じていますが、それらを理解するためには、内部に入る情報の運命を見出さなければなりません。 これは重力の作用量子理論を構築する上で不可欠です。それは、極端な重力が量子スケールで作用するブラックホールの内部を説明するのに最も鋭い救済となるのは、自然の量子と空間時間の記述で長年にわたり求められてきた統合です。 量子重力接続は、マルダセナ氏と後にヤフェリス氏をER = EPRのアイデアを描かせ、ワームホールに到りました。
ER = EPRによって提起された時空トンネルと量子もつれ(quantum entanglement)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繋がれているという最近の一般的な信念と共鳴しました。 ワームホールは、時空間をつなぎ合わせてブラックホールの情報をワームがブラックホールから抜け出せるようにする役割を担っていたようですが、うまくいくでしょうか。 ヤフェリス氏は、マルダセナ氏が彼の潜在的な方程式とその証拠についての話を聞いたとき、彼は標準的なERワームホールが不安定で、通過できないことを知っていました。 しかし、彼は、何十年も前にソーン氏や他の人たちが思考したような、通過可能なワームホールのためにマルダセナ氏の二重性にどんな意味があるか疑問に思いました。 韓国の話しの3年後に、ヤフェリス氏と彼の協力者であるガオ氏とウォール氏が答えを発表しました。 この研究では、標準的なワームホールとも量子もつれの粒子ではなく、移動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で、ER = EPRの考え方を拡張します：1993年に発見されたプロトコル、つまり量子システムを消滅させ、そしてどこか他の場所から無傷で再び現れることを許した事です。
マルダセナ氏が、ガオ氏、ヤフェリス氏、ウォール氏の論文を読んだとき、「私はそれを本当にいいアイデアと見ていました。誰かがあなたに話した後に、それが明らかだというこれらのアイデアの1つです。」と彼は述べました。 マルダセナ氏と2人の共同研究者であるダグラス・スタンフォード(Douglas Stanford)氏とヤン・ジンビン(Zhenbin Yang)氏は、ブラックホール情報のパラドックスに関する新しいワームホールの影響をすぐに調べ始めました。 彼らの論文は4月に登場しました。
スタンフォードのススキン(Susskind)氏とイエンチョウ(Ying Zhao、英趙)氏は、7月にワームホール・テレポートについての論文で続けました。 ワームホールは、「テレポーテーションが起こる方法について興味深い幾何学的な像を与える」とマルダセナ氏は述べました。 「メッセージは実際にワームホールを通過します。」
物理学の進歩(Fortschritte der Physik)に掲載された、マルダセナ氏、スタンフォード氏、ヤン氏の「通過可能なワームホールへの突入」の論文では、2つのブラックホールを結ぶ子ワームホールを考えています：親ブラックホールが蒸発するときに与えられるホーキング放射の半分で、親ブラックホールと子ブラックホール一つが形成されました。2つのシステムは可能な限り絡み合っています。 ここでは、古いブラックホールの情報の運命は明らかです。それは、子ブラックホールから出てくるのです。
今月のIASの静かなオフィスでのインタビューで、影響力の強い洞察力の実績を持つアルゼンチン人系アメリカ人のマルダセナ氏は、彼の急進的な想いを描きました。 チョークダストの黒板の右側に、マルダセナ氏は、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絵を描きました。 左に、彼は量子ポテンシャル実験をスケッチし、有名な架空の実験者アリス(Alice)とボブ(Bob)によって行われ、それぞれが量子もつれ粒子aとbを持っています。アリスは、キュービット qをボブにテレポートしたいと言っています。彼女はqとaの結合状態を準備し、結合した状態（古典的なビットのペア、1または0に減らす）を測定し、この測定の結果をボブに送ります。 彼は、これを、状態qを再構築する方法でb上で操作するための鍵として使用することができます。 量子情報の単位のボイラ(Voila)はある場所から別の場所に移動しました。
マルダセナ氏は黒板の右側に向かいました。 「私は[量子テレポーテーションについて]議論したものと道徳的に同等なブラックホールのペアを使って操作を行うことができます。 そしてこの絵では、このメッセージは本当にワームホールを通過します。
アリスはキュービックqをブラックホールAに投射します。 彼女はホーキング放射aの粒子を測定し、その測定結果を外部の宇宙を通してボブに送信します。ボブはこの知識を使ってbのホーキング粒子がブラックホールBから出てきます。ボブの操作は、Bから飛び出してたqを再構築し、Aに落ちた粒子の完全にマッチさせます。 一部の物理学者が興奮している理由は、ガオ氏、ヤフェリス氏、ウォール氏のワームホールは、情報がブラックホールから復元されることができることです。量下もつれ、一方に入る量子の情報は他方に入ることができます。 彼らの論文では、量子重力理論家のために、非現実的であれば便利なプレイグラウンドとして役立つことが多く、負に湾曲した時空間幾何学にワームホールを設けました。 しかしながら、彼らのワームホールの考え方は、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、現実の世界に広がっているようです。 「彼らは因果関係で結ばれていなければなりません。そして、私達が取った相互作用の性質は、あなたが想像できる最も簡単なことです。」と、ヤフェリス氏は説明しました。 一方のブラックホールからのホーキング放射が他方のブラックホールに落ちて入ることを許せば、2つのブラックホールが絡み合い、一方に入る量子情報が他方のブラックホールから出られます。
量子テレポーテーション形式は、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の利用を阻みます。 ワームホールを通過するものは、アリスのメッセージが外部の宇宙でボブのブラックホールから出る前に、ボブに移動するのを待たなければなりません。従って、ワームホールはタイムトラベルに活用できるスーパールミナル(superluminal)なブーストを提供しません。 彼らはスピードの利点を提供しない限り、通過可能なワームホールが自然界に許されるようです。 ガオ氏、ヤフェリス氏、ウォール氏は、「通過可能なワームホールは銀行ローンのようなものです」と書いています。
通過可能なワームホールは宇宙旅行に革命をもたらさないが、プレスキル(Preskill)氏によれば、新しいワームホールの発見は、ブラックホールのファイアウォールへの質問に対して、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「有望な解決策」を提供してます。 プレスキル氏は、この発見は次のことを救済すると述べました。「私達が『ブラックホールの相補性原理』と呼んでいることは、ブラックホールの内部と外部は実際には2つの異なるシステムではなく、むしろ同じシステムを見るための2つの全く異なる補完的な方法です。」 相補性原理が成り立つとき、広範囲に想定されるように、ある領域から別の領域へのブラックホールの地平線を通過する際に、小説コンタクトのエリー・アロウェイ博士は何か変わったことに気付かないでしょう。 特定の条件の下で、彼女がガオ - ヤフェリス - ウォールのワームホールを通って常に滑る可能性が高いときに起こりそうです。
ワームホールは、少なくとも絡み合ったブラックホールについても、情報が失われない原理を守ります。 一方のブラックホールに落ちたものはなんであれ、結局、ホーキング放射として他方のブラックホールから出ると、プレスキル氏は述べています。「ある意味ではブラックホール内部の非常にスクランブルされたコピーと考えることができます。」 この発見を理論的な結果に導くと、プレスキル氏は、（少なくとも無限に発展した文明のために）これらのブラックホールの1つの内部の放射線を操作することで影響を及ぼすことが可能であるべきと、考えています。 彼は電子メールで次のように書いています。ブラックホール（EPR）に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つながっていると考えられれば筋が通っています。 放射線をくすぐると、ブラックホールの中から読むことができるメッセージを送ることができる。「この絵をもっと詳しく描く前に、私達にはまだ道があります」と付け加えました。
確かに、新しいワームホールの知見をすべての量子情報の運命やER = EPRの意味についての声明に一般化することには、障害が残っています。 ER = EPRを提案しているマルダセナ氏とサスキントの論文では、「タコ(octopus)」と呼ばれる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を持つブラックホールは、それから蒸発した遠くのホーキング粒子につながっています。 このスケッチは「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です。この絡み合いがブラックホールの内部構造につながると我々は考えています」と、著者達は説明しました。
しかしニュージーランド(New Zealand)のウェリントン(Wellington)のビクトリア大学(Victoria University)の数学者で、一般相対論な専門家で、1990年代からワームホールを研究してきたマット・ヴィシャー(Matt Visser)氏によれば、タコ画像のありのままに読んでもうまくいきません。 単一のホーキング粒子から形成されたワームホールの喉は、とても薄いためキュービットは決して合わないでしょう。 「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波動のパケット(wave packets)を拾うためだけに『自明なこと』です」とヴィシャー氏は説明しました。 「大きな波動のパケットは、反対側に通過することなく、小さなワームホールの喉から跳ね返ります。」
マルダセナ氏とヤン氏との最近の論文を共著したスタンフォード氏は、これが、ホーキング放射の各々の粒子がそれ自身の触手状のワームホールを有するER = EPRアイデアの最も単純な解釈での問題を認めました。 しかながら、彼と他の人が念頭に置いているER = EPRのより推測的な解釈は、この失敗には悩まされません。 「アイディアは、この通過可能なワームホールを用いてホーキング放射線から情報を回復するには、ホーキング放射線を一緒に集めて、複雑な方法で作用させる必要がある」というスタンフォード氏は述べています。 この複雑な集合体の測定は、落下した粒子に関する情報を明らかにします。 「小さくて役に立たないタコの触手から、大きくて通過しやすいワームホールを作り出す」という効果を持ってると、彼は述べました。
情報はこの大きなワームホールを通って伝播するでしょう。 マルダセナ氏は、「量子力学の重力理論は、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かもしれません」と付け加えました。 「量子力学はこの原理に従うべきだと私達は考えています」と彼は述べました。「私たちはそれを理論のガイドとしてもっと見る」 彼の1994年の人気のある科学の本「ブラックホールとタイムワープ(Black Holes and Time Warps)」で、キップ・ソーン氏はワームホール研究に関わる推論のスタイルを祝いました。 「思考実験は、カール・セーガン氏の電話で誘発されるタイプのものよりも、物理法則をより強く押しつけるものはありません」と彼は書いています。 「物理学の法則は、無限に発展した文明が何が行えるのか。そして法則が禁止するものは何か。」
QuantaMagazine 経由
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元記事は掲載終了しております。
(元記事のソース)
Newfound Wormhole Allows Information to Escape Black Holes - QuantaMagazine
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カール・セーガン博士が、映画化された小説コンタクトを書くときに、物理学の整合性を取るために検証された内容です。アインシュタイン-ローゼン・ブリッジ、別名ワームホールをいかに通過させてもいいのか、とても興味深い検証です。結局は、ワームホールの安定のために反物質が必要になるようです。反物質を取り扱え、ワームホールを通れる日が、いつか来るのかもしれません。
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