仕組み：ブラックホールによる死

足から事象の地平線（ブラックホールの重力から逃れられない地点）を越えて落ちても、何も変化を感じない。しかし、最終的には、重力が頭よりも足元の方がはるかに強くなり、粘土のように引き伸ばされて、ついには折れてしまう。少なくとも、それが1915年にアインシュタインが一般相対性理論を提唱した後、物理学者が描いたイメージだ。ここ数年で、早すぎる死を迎える新たな可能性が浮上してきた。

この思考実験は、物理学者スティーブン・ホーキングが 1970 年代に概説したパラドックスを解決しようとするものである。ホーキングは、現在の形では、物理学の 2 大柱である量子力学と一般相対性理論の両方がブラックホールの近くでは成り立たないことを示した。一般相対性理論は超大質量の物体の働きを規定し、量子力学は超小質量の物体の働きを規定する。宇宙のほとんどの部分では、物理学者はどちらの法則を適用するか選択できる。銀河団には一般相対性理論、粒子加速器には量子力学。しかし、ブラックホールは非常に大質量であると同時に非常に小さい。

そして、それがこの謎をとても興味深いものにしている。物理学者がブラックホールによる死の疑問に答えることができれば、2つの柱を量子重力の単一の理論に統合することにずっと近づくだろう、とこの問題に取り組んでいるカリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学者ジョー・ポルチンスキーは言う。「最終的に、私たちは宇宙の力を統合する理論を探しているのです。」

情報パラドックス

現在行われている議論は、量子力学的に結びついた性質を持つ量子もつれ粒子が事象の地平線を越​​えたときに、ブラックホールがそれをどう扱うかという点に焦点が当てられている。これは人間の運命を考えるのに似ているが、物理学者にとってはもっと興味深い。粒子をサイコロのペアと考えれば、片方を振るともう片方も魔法のように振られ、2つの合計は常に7になる。各粒子はこのように1つの相手としか結びつかない。物理学者はこれを「一夫一婦制」と呼ぶ。

仕組み

1. 伝統的な見方

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一般相対性理論によれば、ブラックホールから逃れられるものは何もないので、ブラックホールは時間の経過とともに残骸を飲み込んで大きくなるはずだ。しかし、1970年代にスティーブン・ホーキングは、量子力学の奇妙な現象のおかげで、物質は実際に逃れられると指摘した。量子力学によれば、粒子のペアは絶えず出現し、すぐに自己消滅する。事象の地平線でペアが形成されると、一方はブラックホールに落ち込み、もう一方は消えるのではなく漂い去る。その粒子は効果的に物質を運び去り、最終的にブラックホールは完全に蒸発する。

欠陥

この小さな量子力学的効果（ホーキング放射と名付けられている）は、物理学者が今まさに解明しようとしている大きな意味を持っている。これらの粒子は、合計が常に 7 になる魔法のサイコロのようにリンクしている。生き残った粒子が事象の地平線の向こう側でパートナーを失うと、新しい粒子とリンクする。しかし、相対性理論によれば、事象の地平線内の粒子は何も変化していないことを知らないため、依然としてパートナーと幸せにリンクしていると考えている。生き残ったパートナーが新しい粒子と古い粒子の両方とリンクすることはできないため、一夫一婦制の問題がある。

2. ファイアウォールビュー

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2012 年、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者らは、一夫一婦制の問題に対する解決策を提案した。もし、生き残ったパートナーが、その粒子が事象の地平線を越​​えて消えたときに、元のパートナーとのエンタングルメントを放棄したらどうなるだろうか。離婚は量子力学を満足させる。各リンクが壊れるたびに、化学結合が壊れるのと同じように、小さなエネルギーの爆発が発生するため、事象の地平線のすぐ向こうにファイアウォールが形成される。エネルギーが集合的に火の壁を形成し、事象の地平線を越​​えて落ちてくるものはすべて焼き尽くす。

欠陥

ファイアウォールを構築するために、物理学者はブラックホールの本来の特性の 1 つを放棄しなければならなかった。それは、事象の地平線を越​​えて落下する観測者は何も変化を感じないという、いわゆる「ドラマがない」という原理である。ファイアウォールは多くの物理学者を苛立たせるが、量子力学がブラックホールにもたらす微妙な問題を解明するのにこのシナリオが役立つという点ではほとんどの物理学者が同意している。ファイアウォール論文の著者の 1 人であるポルチンスキーは、それがおそらく最終的な答えではないことに同意している。「最初の図がまだ正しい可能性が高い」と彼は言う。「理由はわからないが」

3. ワームホールビュー

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プリンストン大学とスタンフォード大学の物理学者2人が、別の解決策を提案した。彼らは、生き残った粒子の2つのパートナー（事象の地平線の内側の古い粒子と、その外側の新しい粒子）が実際には同じ粒子だとしたらどうなるだろうか？飲み込まれたパートナーがブラックホール内のワームホールに遭遇し、どこか別の場所に飛び出したらどうなるだろうか？生き残った粒子は新しいパートナーを見つけたと思ってそのパートナーとつながることができるが、飲み込まれた粒子は（自分が宇宙の別の場所にいることに気付く以外は）何も変わっていないことに気付かないだろう。

欠陥

ワームホールは、このパラドックスに一見きれいな解決策を提示している。「B級映画のようなもので、人物1と人物2が一緒に登場することはないので、彼らは同一人物に違いない」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者ラファエル・ブッソは言う。しかし、このアプローチは量子力学と別の点で矛盾するため、この計画は実現不可能かもしれないとブッソは言う。「他の人ほど有望だとは思いません」。だから議論は続く。

あなたの銀河のブラックホールではない

ここで述べた光を吸い込む特異点は理論上のもので、天の川銀河やその他の大きな銀河の中心にある現実の超大質量ブラックホールとは違います。これらの量子ブラックホールは安定した隔離された環境を必要とします。さらに、量子力学的特性が現れるまでには宇宙の年齢よりも長い時間がかかることがあります。つまり、ブラックホールによる死の理論の多くを実験的に検証するチャンスがないと、ホーキング博士とともに研究したアルバータ大学の理論物理学者ドン・ペイジ氏は言います。「ブラックホールによる死の理論はあまりにも遅く発生するため、検証できる人がいなくなるでしょう。もちろん、ブラックホールに落ちるなんて、とにかく狂気の沙汰です。」

この記事はもともと、毎年恒例の「How It Works」パッケージの一部として、Popular Scienceの 2015 年 4 月号に掲載されました。