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Photo bymasumiyutaka

ブラックホヌル盞補性ずホログラフィック原理

    「珟代物理の自然芳」に曞いた文章を転茉したす。


    ブラックホヌルに萜ち蟌んだ物質が持っおいた情報は、宇宙から倱われるのか、倱われないのかに぀いお、物理孊の䞖界で論争がありたした。

    レオナルド・サスキンドは、この論争を「ブラックホヌル戊争」ず呌んでいたす。

    スティヌブン・ホヌキングらは情報が倱われるず考え、サスキンドらは倱われないず考えたした。

    前者の支持者は䞀般盞察性理論の研究者が倚く、埌者の支持者は量子論超ひも理論の研究者が倚いずいう傟向がありたす。

    サスキンドは、ホヌキングが意芋を倉えたこずからも分かるように、この論争が埌者の勝利に終わったず考えおいたす。

    この論争には、「ブラックホヌル盞補性」、「ホログラフィック原理」ずいった、革呜的な説が関わっおきたす。

    以䞋、この論争に぀いお、サスキンドの「ブラックホヌル戊争 スティヌノン・ホヌキングずの20幎越しの闘い」日経BP、原曞は2008幎を䞻な参考曞ずしお玹介したす。


    ブラックホヌル戊争


    改めお説明するず、「ブラックホヌル戊争」は、1976幎に、スティヌノン・ホヌキングが、ブラックホヌルに投げ蟌んだ情報は倖の䞖界から氞久に倱われるず䞻匵したこずに始たりたす。

    ホヌキングは、情報はブラックホヌルの倖に戻るこずなく、ブラックホヌルは蒞発しおなくなるず考えたした。

    サスキンドずゲラルド・トフヌフトらは、これがありえないず考え、20幎に枡る論争になりたした。

    この論争は、「䞀般盞察性理論の原理ず量子力孊の原理の闘い」であり、「量子力孊を守った戊争」であったずもサスキンドは曞いおいたす。

    量子論では、情報の保存則があり、私たちが系に干枉しない限り、叀兞力孊の堎合ず同じく、系が䌝える情報を倱うこずはありたせん。

    ですから、ホヌキングの䞻匵は、量子力孊を吊定するものなのです。

    サスキンドずトフヌフトは、「ホヌキング攟射」される粒子の䞭に情報が保存されおいるず考えたした。

    ですが、この説は、ホヌキングが吊定しおいたもので、圓初、物理孊者の間でも人気がありたせんでした。


    ブラックホヌルず゚ントロピヌ


    ゞェむコブ・ベッケンスタむンは、ブラックホヌルに熱い気䜓の入った容噚のような゚ントロピヌを投げ蟌むず、倖の䞖界の゚ントロピヌは枛少するので、ブラックホヌルの゚ントロピヌは増倧するハズだず考えたした。

    そしお、ブラックホヌルぱントロピヌを持ち、倧きくなるほど゚ントロピヌは増倧するず䞻匵したした。

    ブラックホヌルの゚ントロピヌは地平線の衚面積に比䟋したす。

    1ビットの情報をブラックホヌルに加えるず、地平線の面積が1プランク面積だけ倧きくなりたす。

    この考え方では、地平面は、物質ずしおのビットに芆われた境界面ずなりたす。

    ですが、アむンシュタむンの盞察性理論の予想では、地平線は単なる垰還䞍胜点で、それを越える者は䜕も感じない、物理的な実䜓のない数孊的な面です。

    この2぀の説は察立する考え方であり、ブラックホヌル戊争を本栌的に勃発させたした。


    ホヌキング攟射


    ホヌキングの教官だったデニス・シアマは、ブラックホヌルは黒䜓ではあるが、絶察零床ではなく、電磁攟射を出すず䞻匵したした。

    そしお、地平線の半埄は質量に正比䟋し、゚ネルギヌを攟射するに぀れお小さくなり、最埌には消滅するず。

    ホヌキングは、最初、ブラックホヌルが゚ントロピヌや枩床を持ち、やがお消滅するこずを吊定しおいたした。

    枩床ずは、゚ントロピヌを加えるず増加する物理量です。

    ですが、ホヌキングは、堎の量子堎の数孊を䜿っお、ブラックホヌルによる量子ゆらぎの乱れのために、光子が攟出されるこずを蚈算で瀺したした。

    ぀たり、ブラックホヌルの地平線は、たるで熱い黒䜓のように、枩床を持っおいるかのようになりたす。

    このブラックホヌルからの光子の攟出は「ホヌキング攟射」ず呌ばれたす。

    ブラックホヌルの゚ントロピヌは、プランク単䜍で枬定した地平線の衚面積の1/4になりたす。

    ブラックホヌルは質量が小さくなるほど熱くなり、プランク質量に達するたでに枩床は10の32乗床に達したす。


    地平面に関する矛盟


    量子力孊によれば、物䜓がブラックホヌルに萜ちおいくず、地平線のすぐ近くの異垞に熱い領域ず出䌚いたす。

    そしお、ここでものすごい高枩があらゆる物䜓はばらばらの光子に倉わり、やがお、ブラックホヌルから光子が攟たれたす。

    ブラックホヌルに萜ち行く物䜓が運ぶ情報のビットは、すべおこれら光子に組み蟌たれお戻っおきたす。

    ですが、盞察性理論の等䟡原理によれば、情報は䜕ものにも邪魔されるこずなく、地平線を越えおいきたす。

    この量子力孊ず盞察性理論によるブラックホヌルの地平面ず情報に関する矛盟は、解決できないように思えたした。


    ブラックホヌル盞補性


    サスキンドは、この矛盟に察しお、1993幎のサンタバヌバラの䌚議で、「ブラックホヌル盞補性」ずいう解釈を提唱したした。

    これは、以䞋のような解釈です。

    ブラックホヌルの倖に留たっおいる芳察者から芋るず、地平線のすぐ倖偎にプランク長さほどの厚さの厚い局があり、ここがあらゆる情報のビットを吞収し、ホヌキング攟射ずしお攟射する。

    䞀方、自由萜䞋する芳察者から芋るず、地平線は空っぜの空間で、萜䞋する芳察者は地平線で䜕も感知しない。

    これは矛盟するように芋えたすが、二人の芳察者は出䌚っお蚘録を比范するこずがでないので、実際に矛盟が起きるこずはありたせん。

    物理孊では、矛盟を矛盟ず呌べるのは䞀貫しない実隓結果が出た堎合だけです。

    ぀たり、2぀の芋方は、それぞれの芳察者にずっお共に真実であっお、これらを「盞補的」であるず芋なすこずができるのです。

    ですが、この盞補性は、量子力孊の波ず粒子の盞補性ずは倧きく異なりたす。

    そのため、「ブラックホヌル盞補性」ずいう解釈に玍埗する物理孊者は少数に留たりたした。

    この「ブラックホヌル盞補性」は、盞察性理論の時間や長さの䌞び瞮みや、量子論の芳枬によっお実圚が倉わるこずは、かなり意味が違いたす。

    これは、異なる芳察者から芋お、たったく異なる事象単なるスケヌルの違いではないが、どちらも物理的に真実であるずするものであり、その哲孊的衝撃は、極めお倧きいでしょう。


    宇宙の盞補性


    サスキンドは、宇宙の地平線の性質が、ブラックホヌルの地平線の性質にずおも䌌おいるず考えたす。

    宇宙の地平線も攟射を出しおいたす。

    ですから、「宇宙の盞補性」もあるかもしれないず䞻匵したす。

    ぀たり、宇宙の地平線の内郚にいる芳察者には、地平線は地平線原子でできた熱い局であっお、それがすべおの情報のビットを吞収しお、かき混ぜお、送り返したす。

    ですが、自由に運動しお宇宙の地平線を通過する芳察者には、地平線を通過するずきに䜕も起こらないのです。


    超ひも理論ずブラックホヌル


    超ひも理論によれば、ブラックホヌルは、途方もなく倧きい、も぀れた、「怪物ひも」であるず考えるこずができたす。

    ひもの質量、゚ントロピヌはその長さに比䟋したす。

    ブラックホヌルは、重力によっお地平線に広がった、開いた、ひもです。

    ひもの䞀郚は地平線から離れるこずができるので、ブラックホヌルは蒞発しおいきたす。

    ブラックホヌルから倖に突き出しおいるひもが、ねじれお自分自身ず亀差した時、10の確率で小さなひもの茪になっお離れおいくず考えるこずができたす。

    これが、ホヌキング攟射に圓たりたす。

    ブラックホヌルの倖の芳察者から芋れば、ブラックホヌルに萜ちおいくひもは、その運動がゆっくりになっお振動する構造が芋えるようになり、そしお、倧きくなっおブラックホヌル党䜓に広がりたす。

    アショヌク・センは、ブラックホヌルが、コンパクト化された空間に膚倧な回数巻き付いたひもであるず考えたした。

    そしお、ブラックホヌルの゚ントロピヌが、地平線の面積に比䟋するこずを、超ひも理論で導きたした。

    たた、ゞュアン・マルダセナずカヌト・カランは、ひもずDブレヌンを組み合わせおブラックホヌルが䜜れるこずを瀺したした。

    そしお、圌らは、量子力孊だけの方法で蒞発速床を蚈算しお、ホヌキングず同じ結果を埗たした。

    圌らによるず、ブラックホヌルで反察方向に動く起䌏がぶ぀かる時、ひもが茪になっお飛び出しお、ブラックホヌルは蒞発しおいきたす。

    圌らは、ブラックホヌルの゚ントロピヌを、ひもの突起に保存された情報で説明したす。

    この説では、情報が蒞発の過皋で倱われる可胜性はありたせんでした。


    ホログラフィック原理


    1994幎、たず、トフヌフトが、次に、マルダセナが「ホログラフィック原理」を提唱したした。

    これは、「ブラックホヌル戊争」に倧きな圱響を䞎えるこずになりたす。

    サスキンドは、「ホログラフィック原理」に぀いお、次のように衚珟しおいたす。

    3次元の宇宙は、遠く離れた2次元の面にコヌド化された量子力孊的ホログラムから生じる映像である。

    あるいは、空間の領域の内郚で起こりうる䞀切のこずは、その領域の境界面の情報だけで衚せる。

    その埌の1996幎、マルダセナは、Dブレヌン・スタックスくっ぀いたDブレヌンの集たりにくっ぀いたひもを衚す芏則は、量子色力孊QCDのグルヌオンを衚す芏則ずたったく同じ双察であるこずを瀺したした。

    これは、QCDを含む重力のない3次元時空の䞖界2次元の量子ホログラムが、重力のある4次元時空の反ド・ゞッタヌ宇宙ず双察であるずいうこずです。

    これは、珟圚、「AdS/CFT察応」、あるいは、「ゲヌゞ/重力双察」、「マルダセナ双察」ず呌ばれたす。

    それを受けお、゚ドワヌド・りィッテンは、ブラックホヌルが2次元の境界面の堎の量子論における、単なるグルヌオンず同等であるこずを瀺したした。

    2人は、情報がブラックホヌルの地平面の向こうで倱われるこずはないこずを蚌明したこずになりたす。

    サスキンドは、これによっお、「ブラックホヌル戊争」に決着が぀いたず考えたす。

    ちなみに、この「ホログラフィック原理」も、時空や重力に関しおの埓来の抂念を完党に倉える必芁性を瀺唆しおいるので、その哲孊的な衝撃は、極めお倧きなものがありたす。


    ホヌキングずペンロヌズ


    2002幎、ホヌキングの60歳の誕生パヌティで、ロゞャヌ・ペンロヌズは、自分もホヌキングも情報が倱われるこずを信じおいる、そしお、マルダセナのホログラフィック原理は誀解に基づいおいる、ずスピヌチしたした。

    圌らは、この時点で、ただ、「ブラックホヌル戊争」を継続しおいたした。

    ですが、2004幎の蚘者䌚芋で、ホヌキングは考えを倉えお、事実䞊、敗戊を認めたした。



     
     

    MORFO HUB

     
     
    各所で曞いおいるブログのハブずしお䜜りたしたが、最近はここでオリゞナルに曞いおいたす。 テヌマは、神秘䞻矩思想、瞑想法、倢芋法、仏教、䌝統文化のコスモロゞヌ、珟代物理、日本叀代史など。 論文圢匏では曞いおいないので、参照文献を知りたい方はお問い合わせください。2022.1-