ファイアウォール（物理学）

ブラックホールファイアウォールとは、ブラックホールに落下する観測者が事象の地平線（またはその付近）で高エネルギー量子と遭遇するという仮説上の現象です。この「ファイアウォール」現象は、2012年に物理学者のアハメド・アルムヘイリ、ドナルド・マロルフ、ジョセフ・ポルチンスキー、ジェームズ・サリー[ 1 ]によって、ブラックホールの相補性における明らかな矛盾に対する解決策として提案されました。この提案は、2012年の論文の著者名の頭字語であるAMPSファイアウォール [2] と呼ばれることもあります。AMPSによって指摘された潜在的な矛盾は、以前、ファズボール提案を支持する議論を展開したサミール・マサーによって指摘されていました[ 3 ] [ 4 ]。この矛盾を解決するためのファイアウォールの使用は依然として議論の的となっており、物理学者の間でもパラドックスの解決策について意見が分かれています[ 5 ]

動機となるパラドックス

曲がった時空における量子場の理論によれば、ホーキング放射の1回の放射には、相互にエンタングルした2つの粒子が関与します。放射する粒子は脱出し、ホーキング放射の量子として放射されます。一方、落下する粒子はブラックホールに飲み込まれます。ブラックホールが有限の過去に形成され、将来の有限の時間に完全に蒸発すると仮定します。すると、ホーキング放射に符号化された有限量の情報のみが放射されます。蒸発の中間点を越えた​​古いブラックホールの場合、Page [ 6 ] [ 7 ]とLubkin [ 8 ]による量子情報理論の一般的な議論は、新しいホーキング放射は古いホーキング放射とエンタングルしているに違いないことを示唆していますしかし、新しいホーキング放射も地平線の後ろの自由度とエンタングルメントされている必要があるため、パラドックスが生じます。「エンタングルメントの一夫一婦制」と呼ばれる原理によれば、他の量子システムと同様に、出射粒子は2つの独立したシステムと同時に完全にエンタングルメントされることはできません。しかし、ここでは出射粒子は、入射粒子と、独立して過去のホーキング放射の両方とエンタングルメントされているように見えます。[ 5 ]

AMPSは当初、このパラドックスを解決するには、物理​​学者は最終的に、アインシュタインの等価原理、ユニタリー性、既存の量子場理論という、実証済みの3つの原理のいずれかを放棄せざるを得なくなるかもしれないと主張した。[ 9 ]しかし、現在では、一夫一婦制のパラドックスには局所性の暗黙の仮定がさらに存在していたことが認められている。量子重力理論は厳密な局所性に従わないという見方が一般的であり、これがパラドックスの解決につながる。[ 10 ] [ 3 ]一方、一部の物理学者は、このような局所性の違反ではパラドックスは解決できないと主張する。[ 11 ]

パラドックスに対する「ファイアウォール」の解決策

一部の科学者は、落下粒子と放出粒子の間のエンタングルメントが何らかの方法で即座に破られる必要があると示唆しています。このエンタングルメントが破られると大量のエネルギーが放出され、ブラックホールの事象の地平線に灼熱の「ブラックホール・ファイアウォール」が形成されます。この解決には、自由落下と空間浮遊の区別がつかないとするアインシュタインの等価原理の破れが必要です。この破れは「とんでもない」と評され、理論物理学者ラファエル・ブッソは「レンガの壁が何もない場所に突然現れて顔を叩くように、ファイアウォールが空間に現れることはあり得ない」と批判しています。[ 5 ]

ファイアウォールを使わないパラドックスの解決

一部の科学者は、放出された粒子と以前のホーキング放射の間には実際にはエンタングルメントが存在しないと主張している。この解決には、ブラックホールの情報損失が必要となり、これは議論の余地のあるユニタリー性の破れである。[ 5 ]

スティーブ・ギディングスなどの研究者は、量子場理論を修正して、出ていく粒子と入ってくる粒子が分離するにつれてエンタングルメントが徐々に失われ、ブラックホール内部のエネルギーがより徐々に放出され、結果としてファイアウォールがなくなることを提案している。[ 5 ]

パパドディマス＝ラジュ提案[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]は、ブラックホール内部はホーキング放射と同じ自由度で記述されると仮定した。これは、後期ホーキング放射がエンタングルメントしている2つの系を特定することで、モノガミーパラドックスを解決した。この提案では、これらの系は同一であるため、エンタングルメントのモノガミーと矛盾しない。同様に、フアン・マルダセナとレオナルド・サスキンドはER=EPR提案[ 16 ]において、放出粒子と落下粒子はワームホールによって何らかの形で接続されており、したがって独立した系ではないと示唆した。[ 17 ] [ 18 ]

毛玉の描像は、「毛のない」真空をひも状の量子状態に置き換えることでこのジレンマを解決し、それによってホーキング放射をブラックホールの形成史と明確に結び付けている。[ 19 ] [ 20 ]

スティーブン・ホーキングは2014年1月に、ブラックホールの事象の地平線を、落下する物質が一時的に停止し、その後放出される「見かけの地平線」に置き換えるという非公式の提案[ 21 ]を発表し、主流メディアで広く報道された。しかし、科学者の中には、提案されている内容や、この提案がパラドックスをどのように解決するのかについて、混乱を表明している者もいる[ 22 ] 。

特性と検出

ファイアウォールはブラックホールの事象の地平線上に存在し、事象の地平線外の観測者には見えません。事象の地平線を通過してブラックホールに入った物質は、ファイアウォールにおいて任意の高温の「沸騰する粒子の大渦」によって即座に「焼き尽くされる」でしょう。[ 5 ]

2つのブラックホールの合体において、ファイアウォール（もし存在するならば）の特性は、波が曖昧な事象の地平線付近で反射する際に、放射される重力波に「エコー」として痕跡を残す可能性があります。物理学者は現在、ファイアウォールの優れた物理モデルを持っていないため、このようなエコーの量は理論的には不明です。2016年、宇宙論者のニアエシュ・アフショルディらは、LIGOによって検出された最初のブラックホール合体データに、そのようなエコーの兆候が暫定的に見られると主張しました[ 23 ]。しかし、最近の研究では、データにそのようなエコーが存在するという統計的に有意な証拠は存在しないと主張されています[ 24 ] 。

参照

参考文献

  1. ^アルムヘイリ、アハメド、マロルフ、ドナルド、ポルチンスキー、サリー、ジェームズ（2013年2月11日）「ブラックホール：相補性かファイアウォールか？」Journal of High Energy Physics . 2013 (2): 62. arXiv : 1207.3123 . Bibcode : 2013JHEP...02..062A . doi : 10.1007/JHEP02(2013)062 . S2CID  55581818
  2. ^ Chowdhury, Borun D.; Puhm, Andrea (2013). 「デコヒーレンスと落下波束の運命：アリスは燃えているのか、それともぼやけているのか？」Physical Review D . 88 (6) 063509. arXiv : 1208.2026 . Bibcode : 2013PhRvD..88f3509C . doi : 10.1103/PhysRevD.88.063509 . S2CID 3104184 . 
  3. ^ a bラジュ・スブラト（2022年1月）. 「情報パラドックスからの教訓」. Physics Reports . 943 : 1– 80. arXiv : 2012.05770 . Bibcode : 2022PhR...943....1R . doi : 10.1016/j.physrep.2021.10.001 . S2CID 228083488 . 
  4. ^ポルチンスキー、ジョセフ（2017年8月31日）「ある理論物理学者の思い出」arXiv : 1708.09093 [ physics.hist-ph ]。
  5. ^ a b c d e f Merali, Zeeya (2013). 「天体物理学：穴の中の火！」 . Nature . 496 (7443): 20– 23. Bibcode : 2013Natur.496...20M . doi : 10.1038/496020a . PMID 23552926 . S2CID 4388169 .  
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  7. ^ Page, Don N. (1993). 「サブシステムの平均エントロピー」. Phys. Rev. Lett . 71 (9): 1291– 1294. arXiv : gr-qc/9305007 . Bibcode : 1993PhRvL..71.1291P . doi : 10.1103 /PhysRevLett.71.1291 . PMID 10055503. S2CID 17058654 .  
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