ブラックホール情報パラドックス
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ブラックホール情報パラドックス（ブラックホールじょうほうパラドックス、Black hole information paradox）は、量子力学と一般相対性理論の組合せに起因するパラドックスである。物理的情報はブラックホールの中で消失するため、多くの量子状態が同じ状態を取ることを許容する。これは、ある時点での物理系に関する完全な情報は別の時点での状態を決定するべきだという、科学的方法の原則から逸脱するため、論争を呼んだ[1][2]。量子力学の基礎的な前提では、系の完全な情報は波動関数の収縮まで、波動関数の中に埋め込まれる。波動関数の進化はユニタリ作用素によって決定され、ユニタリティは情報は量子状態に保存されることを示唆する。これは決定論の厳しい形である。
- ^ Hawking, Stephen (2006年). The Hawking Paradox. Discovery Channel. オリジナルの2013年8月2日時点におけるアーカイブ。 2013年8月13日閲覧。
- ^ Overbye, Dennis (2013年8月12日). “A Black Hole Mystery Wrapped in a Firewall Paradox”. New York Times 2013年8月12日閲覧。
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- ^ The Black Hole War p. 10: "It was not a war between angry enemies; indeed the main participants are all friends. But it was a fierce intellectual struggle of ideas between people who deeply respected each other but also profoundly disagreed."
- ^ http://richarddawkins.net/articles/2846
- ^ “This Week's Finds in Mathematical Physics (Week 207)”. 2011年9月25日閲覧。
- ^ Gurzadyan, V. G.; Penrose, R. (2010). Concentric circles in WMAP data may provide evidence of violent pre-Big-Bang activity. 1011. pp. 3706. arXiv:1011.3706. Bibcode: 2010arXiv1011.3706G.
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- ^ Giddings, Steven B. (1998). Comments on information loss and remnants. Phys Rev D. arXiv:hep-th/9310101. Bibcode: 1994PhRvD..49.4078G. doi:10.1103/PhysRevD.49.4078.
- ^ Hartle, James B. (1998). “Generalized Quantum Theory in Evaporating Black Hole Spacetimes”. Black Holes and Relativistic Stars: 195. arXiv:gr-qc/9705022. Bibcode: 1998bhrs.conf..195H.
- ^ Nikolic, Hrvoje (2009). “Resolving the black-hole information paradox by treating time on an equal footing with space”. Physics Letters B (Phys. Lett.) 678 (2): 218–221. arXiv:0905.0538. Bibcode: 2009PhLB..678..218N. doi:10.1016/j.physletb.2009.06.029.
- ^ Winterberg, Friedwardt (2001 Aug 29). "Gamma-Ray Bursters and Lorentzian Relativity". Z. Naturforsch 56a: 889-892.
- 1 ブラックホール情報パラドックスとは
- 2 ブラックホール情報パラドックスの概要
- 3 関連項目
ブラックホール情報パラドックス
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「AdS/CFT対応」の記事における「ブラックホール情報パラドックス」の解説
詳細は「ブラックホール情報パラドックス」を参照 1975年、スティーヴン・ホーキングは、ブラックホールは完全なブラックホールではなく、事象の地平線の近くの量子効果のため、わずかな輻射が発生していることを示唆する計算結果を発表した。最初、ホーキングの結果は、ブラックホールが情報を壊してしまうであろうことを示唆したため、理論家に対しては問題の提起となった。さらに詳しくは、ホーキングの計算は、基本的な量子力学の数学的定式化の一つと矛盾するように見えると指摘した。量子力学の基準とは、物理系はシュレディンガー方程式に従って時間発展するというものである。普通は、この性質を時間発展のユニタリ性として理解する。ホーキングの計算と量子力学のユニタリ性の基準の間の一見矛盾に見えることは、ブラックホール情報パラドックスとして知られるようになった。 AdS/CFT対応はすくなくともある程度拡張すれば、ブラックホールの情報パラドックスを解決することが可能となる。なぜならば、AdS/CFT対応の脈絡では、ブラックホールがどのようにして量子力学との整合性をもって発展することが可能かを示すことができるからである。実際、ブラックホールをAdS/CFT対応の脈絡で考えると、ブラックホールは反ド・ジッター空間の境界上の粒子の構成に対応することになる。 これらの粒子は普通の量子力学の規則に従って、特にユニタリ性をもって発展するので、ブラックホールは量子力学の原理に照らしユニタリ性保存するはずである。 ホーキングは2005年に、AdS/CFT対応によって、情報の保存が肯定される形でこのパラドックスが解決されたと発表し、ブラックホールが情報を保持する具体的メカニズムを提案した。
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ブラックホール情報パラドックス
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「ホログラフィック原理」の記事における「ブラックホール情報パラドックス」の解説
詳細は「ブラックホール情報パラドックス」を参照 ホーキングの計算は、ブラックホールの放射は吸収した物質と全く関係がないことを示唆する。ブラックホールから外側に向かう光線は、ブラックホールの境界から出発して地平面の近くで長い時間を過ごす。一方、ブラックホールに落ちていく物質が地平面に到着するのは、かなり後になってからだ。落下する質量／エネルギーと、外へ向かう質量／エネルギーが相互作用するのは、それらが交差するときだけだ。小さな残りかすのような破片が外側に向かう状態を完全に決定するというのは、もっともらしくない。 ホーキングはこれを、ブラックホールがある波動関数によって記述される純粋状態にあるいくつかの光子を吸収したとき、ある密度行列によって記述される混合状態にある新しい光子を放射する、という意味に解釈した。これは量子力学は修正される必要があることを意味する可能性がある。なぜなら量子力学においては確率振幅の重ね合わせである状態は異なる確率の確率的混合である状態にはなり得ないためである。 このパラドックスの困難に直面し、ヘーラルト・トホーフトはホーキング放射をより詳細に解析した。彼はホーキング放射が脱出するとき、ブラックホール内部に向かう粒子により外部に向かう粒子を改変されうる方法があることを指摘した。それらの重力場はブラックホールの地平面を変形させうる。そして変形した地平面は変形前とは異なった外に向かう粒子を生成する。ある粒子がブラックホールに落ち込むとき、それは外部の観測者と比べて加速され、その重力場は普遍形 (universal form) であることが仮定される。トホーフトはこの場を対数グラフで表示するとブラックホールの地平面上で隆起するテントの支柱形を取り、その隆起は粒子の位置と質量を別の視点で見た（影のような）記述であることを示した。四次元の球形非荷電ブラックホールでは、地平面の変形は弦理論のワールド・シート上の粒子の放射と吸収を記述する変形の種類と類似している。表面上での変形は内部に向かう粒子の唯一の痕跡であり、これらの変形は外部に向かう粒子を完全に決定しなければならないはずなので、トホーフトはブラックホールの正しい記述は弦理論のある形式によるであろうと信じた。 このアイデアはレオナルド・サスキンドによってより厳密に構築された。彼はホログラフィの理論をほとんど独立して作り上げてきた。サスキンドはブラックホールの地平面の振動は落ちていくまたは飛び出してくる物質の完全な記述であると議論した。なぜなら、弦理論のワールドシート理論はちょうどそのようなホログラフィックな記述であったためである。短い弦のエントロピーはゼロであるのに対し、彼は高レベルに励起した長い弦の状態はブラックホールと同一視することができた。これは、弦をブラックホールに関連付けて古典的な解釈ができることを明らかにした深い進展であった。 この仕事は、ブラックホール情報パラドックスは量子重力が通常とは異なる弦理論的な方法で記述されるときに解決できることを示した。量子重力における時空は低次元ブラックホールの有効な記述として生じるべきである。これは、弦だけに限らず適切な性質を持つどんなブラックホールも弦理論の記述の基礎となりうることを示唆した。 1995年、サスキンドと共同研究者のTom Banks, en:Willy Fischler, およびen:Stephen Shenkerらは荷電点ブラックホール、すなわちタイプII超弦理論のD0ブレーンに関するホログラフィックな記述を用いて新しいM理論の定式化を発表した。彼らが提唱した行列理論は当初、en:Bernard de Wit, en:Jens Hoppe, そしてen:Hermann Nicolaiによる11次元超重力内の二つのブレーンを記述していた。後にこの著者たちは同じ行列模型を特定の制限の下での点ブラックホールの動力学の記述として解釈し直した。ホログラフィによって、これらのブラックホールの動力学はM理論の完全な非摂動的 (en) 定式化を与えるという結論が導かれた。1997年、フアン・マルダセナはより高次元の物体のホログラフィックな記述、3+1次元のタイプIIメンブレーンを最初に与えた。これは長い間の難問であった、あるゲージ理論に対応する弦理論による記述を発見した。これらの進展は同時に、弦理論がいかにして量子色力学と関係するかを説明した。
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