研究者はブラックホールがすべての量子状態を破壊すると主張する

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・ホイーラーがセミナーや廊下での即興討論で大きな「U」を描いている姿がよく見られました。この文字の左端は宇宙の始まりを表し、そこではすべてが不確実で、あらゆる量子的な可能性が同時に起こっていたことを示しています。右端には、時には目が描かれ、過去を振り返る観測者を描き、Uの左側を形作っています。

ウィーラーが「参加型宇宙」と呼んだこの宇宙では、Uの周囲で宇宙が膨張し、冷却し、構造を形成し、最終的に人間や測定装置などの観測者を生み出した。これらの観測者は、初期の宇宙を振り返ることで、何らかの形でそれを現実のものにした。

「彼は『観測される現象でなければ、いかなる現象も真の現象ではない』というようなことを言っていました」と、当時ホイ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。

今回、ブラックホールの地平線上で量子論がどのように振る舞うかを研究することで、ウォルドと共同研究者たちは、ホイーラーの参加型宇宙を示唆する新たな効果を計算した。ブラックホールが存在するだけで、粒子のぼんやりとした「重ね合わせ」（複数の潜在的状態が同時に存在する状態）を明確な現実に変えることができることを彼らは発見した。「これは、ブラックホールの地平線が見守っているという考えを想起させる」と、プリンストン大学の理論物理学者で共著者のゴータム・サティシュチャンドラン氏は述べた。

「我々が発見したのは、参加型宇宙の量子力学的実現かもしれないが、そこでは時空自体が観察者の役割を果たす」と、同じくシカゴ大学の3人目の著者であるデイン・ダニエルソン氏は述べた。

理論家たちは現在、これらの監視的なブラックホールから何を読み取るべきか議論している。「これは、重力が量子力学における測定にどのように影響するかについて、深い何かを教えてくれるようだ」とアリゾナ大学の理論天体物理学者サム・グララ氏は述べた。しかし、これが量子重力の完全な理論構築を目指す研究者にとって役立つかどうかは、まだ誰にも分からない。

この効果は、量子論と低エネルギーでの重力を組み合わせた場合に何が起こるかを研究する物理学者たちによって、過去10年間に発見された数多くの効果の一つです。例えば、理論家たちは、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察する上で大きな成功を収めてきました。「これまであまり注目されていなかった微妙な効果から、量子重力へと向かう方法についての手がかりを得ることができる制約が得られます」と、ヴァンダービルト大学の理論物理学者アレックス・ルプサスカ氏は述べています。ルプサスカ氏は今回の研究には関わっていません。

こうした観測的なブラックホールは「非常に目を引く」効果を生み出すようだ、とルプサスカ氏は言う。「なぜなら、それは何となく深いように感じるからだ。」

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宇宙を観測できるかを理解するには、まず小さなことから始めましょう。古典的な二重スリット実験を考えてみましょう。この実験では、障壁の2つのスリットに向かって量子粒子を発射します。通過した粒子は反対側のスクリーンで検出されます。

最初は、移動する粒子はスクリーン上にランダムに現れているように見えます。しかし、スリットを通過する粒子が増えるにつれて、明暗の縞模様が現れます。この模様は、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舞っていることを示しています。縞模様は、波の山と谷が互いに加わったり打ち消したりすることによって生じます。この現象は干渉と呼ばれます。

次に、粒子が2つのスリットのどちらを通過したかを測定する検出器を追加します。明暗の縞模様は消えます。観測という行為によって粒子の状態は変化し、波動性は完全に消えます。物理学者たちは、検出装置によって得られた情報は量子的な可能性を「デコヒーレンス」して明確な現実へと変換すると述べています。

重要なのは、粒子がどの経路をたどったかを知るために、検出器をスリットに近づける必要がないということです。例えば、荷電粒子は長距離電場を放出しますが、その強度は右側のスリットを通過するか左側のスリットを通過するかによってわずかに異なる場合があります。この電場を遠くから測定することで、粒子がどの経路をたどったかに関する情報を得ることができ、結果としてデコヒーレンスが起こります。

2021年、ワルド、サティシュチャンドラン、ダニエルソンは、仮想的な観測者がこのように情報収集を行う際に生じるパラドックスを研究していました。彼らは、重ね合わせ状態にある粒子を生成するアリスという実験者を想定しました。アリスは後日、干渉縞を探します。アリスが観測している間、粒子が外部のシステムと過度にエンタングルしていない場合にのみ、干渉縞が現れます。

そこにボブが登場します。彼は粒子の長距離場を測定することで、遠く離れた場所から粒子の位置を測ろうとしています。因果律によれば、ボブからの信号がアリスに届く頃には実験は終わっているはずなので、ボブはアリスの実験の結果に影響を与えることはできないはずです。しかし、量子力学の法則によれば、もしボブが粒子の測定に成功した場合、粒子はボブとエンタングルメント状態になり、アリスは干渉縞を見ることができません。

3人は、ボブの行動によるデコヒーレンスの量は、アリスが放出する放射線（これも粒子とエンタングルメントする）によって自然に引き起こすデコヒーレンスの量よりも常に小さいことを厳密に計算した。つまり、ボブはアリスの実験をデコヒーレンスさせることはできなかった。なぜなら、アリス自身も既にデコヒーレンスを起こしているからだ。このパラドックスの初期のバージョンは、2018年にウォルドと別の研究チームによる大まかな計算で解決されていたが、ダニエルソンはさらに一歩進んだ。

彼は共同研究者たちに思考実験を提起した。「なぜボブの検出器をブラックホールの背後に設置できないのか？」そのような設定では、事象の地平線の外側で重ね合わせ状態にある粒子が地平線を越​​えて磁場を放出し、ブラックホールの反対側にいるボブによって検出される。検出器は粒子に関する情報を得るが、事象の地平線は「一方通行」であるため、情報は戻ってこられ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中からアリスに影響を与えることはできないので、ボブがいなくても同じデコヒーレンスが発生するはずだ」と研究チームはクアンタへのメールで述べている。ブラックホール自体が重ね合わせ状態をデコヒーレンスさせる必要がある。

「参加型宇宙のより詩的な言語で言えば、それはあたかも地平線が重ね合わせを見ているかのようだ」とダニエルソンは語った。

この洞察を用いて、彼らは量子重ね合わせがブラックホールの時空によってどのように影響を受けるかを正確に計算することに着手した。1月にプレプリントサーバーArxiv.orgに掲載された論文で、彼らは、放射が事象の地平線を越​​えてデコヒーレンスを引き起こす速度を記述する単純な式にたどり着いた。「そもそも影響があったこと自体、私にとって非常に驚きでした」とウォルド氏は述べた。

地平線の上の髪

事象の地平線が情報を収集し、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、スティーブン・ホーキング、マルコム・ペリー、アンドリュー・ストロミンガーは、事象の地平線を越​​える粒子が、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可能性があることを説明しました。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の以前の発見から生まれた、ブラックホール情報パラドックスの解決策として示唆されました。

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を完全に蒸発させることでした。このプロセスは、ブラックホールに落ち込んだあらゆる情報を破壊しているように見えます。しかし、そうすることで、宇宙における情報は生成も破壊もできないという量子力学の根本的な特徴に矛盾が生じます。

3人が提唱する低エネルギー放射は、ブラックホールの周囲に広がるハローに一部の情報が分散し、そこから逃げ出すことで、この問題を回避する。研究者たちは、この情報量の多いハローを「ソフトヘア」と名付けた。

ワルド、サティシュチャンドラン、ダニエルソンはブラックホールの情報パラドックスを研究していたわけではありません。しかし、彼らの研究はソフトヘアを利用しています。具体的には、ソフトヘアは粒子が地平線を越​​えて落ちるときだけでなく、ブラックホールの外側の粒子が単に別の場所に移動したときにも生成されることを示しました。ブラックホールの外側にある量子重ね合わせは、地平線上のソフトヘアとエンタングルメントし、彼らが特定したデコヒーレンス効果を引き起こします。このように、重ね合わせは一種の「記憶」として地平線上に記録されます。

この計算は「柔らかい毛髪の具体的な実現」だと、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・カーニー氏は述べた。「素晴らしい論文です。このアイデアを詳細に実現するための非常に有用な構築になるかもしれません。」

しかし、カーニー氏をはじめとする量子重力研究の最前線で研究する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ものではない。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的性質は「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る。

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「狡猾さ」があると主張している。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る。例えば、真空は近くの気体分子の影響を排除する。しかし、重力を遮断できるものは何もないため、実験を重力の長距離影響から遮断する方法はない。「最終的には、あらゆる重ね合わせは完全にデコヒーレンスが解消されるでしょう」とサティシュチャンドラン氏は述べた。「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これまで知られていたよりもデコヒーレンスにおいてより積極的な役割を果たしていると考えている。「宇宙自体の幾何学的形状が、宇宙内の物質ではなく、デコヒーレンスの原因となっている」と、彼らはQuantaへの電子メールで述べている。

カーニー氏はこの解釈に異議を唱え、新たなデコヒーレンス効果は、電磁場や重力場と因果律の組み合わせによる結果としても理解できると述べている。また、ブラックホールの地平線が時間とともに変化するホーキング放射とは異なり、この場合の地平線には「いかなるダイナミクスも存在しない」とカーニー氏は述べた。「地平線自体は何も起こらない。私はそのような表現は使わない」

因果律に反しないためには、ブラックホール外部の重ね合わせは、ブラックホール内部の仮想的な観測者がそれらに関する情報を収集できる最大速度でデコヒーレンスされなければならない。「これは、重力、測定、そして量子力学に関する新たな原理を示唆しているように思われます」とグララ氏は述べた。「重力と量子力学が定式化されてから100年以上も経ってから、このようなことが起こるとは考えられません。」

興味深いことに、この種のデコヒーレンスは、情報が一方向にしか伝わらない地平線が存在するあらゆる場所で発生し、因果律パラドックスの可能性を生み出します。宇宙の地平線と呼ばれる既知の宇宙の端もまたその一例です。あるいは、「リンドラーの地平線」を考えてみてください。これは、観測者が継続的に加速して光速に近づくと、光線が追いつかなくなる地平線です。これらすべての「キリングの地平線」（19世紀後半から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、実際には全く同じように私たちを観察しているのです」とサティシュチャンドラン氏は述べています。

既知の宇宙の端から宇宙のすべてを観察するということは、具体的に何を意味するのか、まだ完全には解明されていない。「宇宙の地平線は理解できていません」とルプサスカ氏は言う。「非常に興味深いのですが、ブラックホールよりもはるかに難しいのです。」

いずれにせよ、重力と量子論が衝突するようなこのような思考実験を行うことで、物理学者たちは統一理論の振る舞いについて理解を深めたいと考えている。「これは量子重力に関するさらなる手がかりを与えてくれる可能性が高い」とウォルド氏は述べた。例えば、この新たな効果は、量子もつれが時空とどのように関連しているかを理論家が理解するのに役立つかもしれない。

「これらの効果は量子重力の最終的な物語の一部となるはずです」とルプサスカ氏は述べた。「さて、それらは量子重力理論への洞察を深める上で重要な手がかりとなるのでしょうか？ 調査する価値はあります。」

参加型宇宙

科学者たちがあらゆる形態のデコヒーレンスについて学び続けるにつれ、ウィーラーの「参加型宇宙」という概念はより明確になりつつあるとダニエルソン氏は述べた。宇宙のすべての粒子は、観測されるまでは微妙な重ね合わせ状態にあるように見える。明確さは相互作用を通して現れる。「ウィーラーが考えていたのは、まさにそれだったと思います」とダニエルソン氏は述べた。

また、ブラックホールやその他のキリング・ホライズンが「好むと好まざるとにかかわらず」常にすべてを観測しているという発見は、他のタイプ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る。

ウィーラーの哲学を誰もが大規模に受け入れる準備ができているわけではない。「宇宙が自らを観察しているという考え？私には少しジェダイっぽいですね」とルプサスカは言った。それでも彼は、「あらゆるものが相互作用を通して常に自らを観察している」という点には同意している。

「詩的に言えば、そう捉えられるかもしれません」とカーニー氏は言った。「個人的には、地平線の存在は、その周囲に広がるフィールドが、実に興味深い形で地平線に張り付くことを意味している、と言いたいですね。」

1970年代、ウォルドが学生だった頃、ウィーラーが初めて「大きなU」を描いた時、ウォルドはそれをあまり気に留めなかった。「ウィーラーのアイデアは、それほど確固とした根拠がないと感じました」と彼は語った。

そして今はどうなったのか？「彼がやったことの多くは熱意と漠然としたアイデアだったが、後にそれが実に的を射ていたことが判明した」とウォルドは語り、ホイーラーはホーキング放射の効果を計算するずっと前からそれを予見していたと指摘した。

「彼は、他の人々が進むべき道を照らすためにランプの光を差し出す存在だと考えていた。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。