ブラックホールの事象の地平線の外では、一般相対性理論と場の量子論は、発生する物理を理解するのに完全に十分です。 それがホーキング放射線です。 しかし、これら2つの組み合わせでも、まだ解決されていない情報のパラドックスにつながります。 (NASA)

ブラックホール情報のパラドックス、スティーブンホーキングの最大のパズル、まだ解決されていません

パラドックスはホーキング自身が何度も解決策を持っていると主張したものですが、提案のどれも精査に耐えていません。 パラドックスは未解決のままです。

スティーブンホーキングの亡命により、科学は最も有名な著名人だけでなく、ブラックホールの性質についての注目すべき研究者も失いました。 彼の最後の論文は、今日の宇宙論が直面している実存的な課題のいくつかに焦点を当てているかもしれませんが、彼の最大の科学的貢献は、その最も極端なオブジェクトを調べることによって宇宙に関するいくつかの信じられないほどの量子真理を明らかにすることでした。 ブラックホールは、かつては静的で不変であり、質量、電荷、スピンによってのみ定義されていたと考えられていましたが、彼の研究を通じて進化し続け、温度を持ち、放射を放出し、最終的には時間とともに蒸発しました。 しかし、この現在受け入れられている科学的結論-ホーキング放射の存在と特性を推測する-は、ブラックホールが宇宙に関する情報を破壊する方法を提供したという、非常に大きな意味を持っています。 世界で最も明るい心による40年以上にわたる問題の取り組みにもかかわらず、ブラックホール情報のパラドックスは未解決のままです。

質量がブラックホールによって貪食されるとき、物質のエントロピーの量はその物理的特性によって決まります。 しかし、ブラックホールの内部では、質量、電荷、角運動量などのプロパティのみが重要です。 熱力学の第2法則が真のままである必要がある場合、これは大きな難問となります。 イラスト:(NASA / CXC / M.Weiss; X線(上):NASA / CXC / MPE / S.Komossa et al。(L);光学式:ESO / MPE / S.Komossa(R))

熱力学の第2法則は、宇宙の最も不可侵のルールの1つです。好きなシステムを選び、何も入ったり出たりしないようにしてください。エントロピーが自然に減少することはありません。 卵は自然にスクランブルを解除することはなく、暖かい水が熱い部分と冷たい部分に分離することは決してなく、灰は焼かれる前の形に再組み立てされません。 これらはすべて、エントロピーを減少させる例であり、これは自然には発生しません。 エントロピーは同じままです。 ほとんどの状況下で増加します。 しかし、エントロピーが低い状態に戻ることはありません。 実際、エントロピーを人為的に減少させる唯一の方法は、システム内に減少するよりも大きな量でシステム外部のエントロピーを増加させることにより、システムにエネルギーを送り込むことです。 (家の掃除はその一例です。)簡単に言えば、エントロピーを破壊することはできません。

ブラックホールの質量は、回転しない孤立したブラックホールの場合、イベントの地平線の半径を決定する唯一の要因です。 長い間、ブラックホールは宇宙の時空における静的オブジェクトであると考えられていました。 (SXSチーム、Bohn et al 2015)

ブラックホールの場合、長い間、エントロピーはゼロであると考えられていましたが、それは正しくありませんでした。 ブラックホールを作成したエントロピーがゼロ以外の場合、そのマテリアルをブラックホールに投入することにより、エントロピーは上昇するか、同じままである必要があります。 それは決して下がることはできませんでした。 ブラックホールのエントロピーのアイデアは、イベントの地平線の外側にある観測者の視点からオブジェクトがブラックホールに落ちるときにオブジェクトがどうなるかを考えていたJohn Wheelerにさかのぼります。 遠くから、落ち込んでいる誰かが漸近的に事象の地平線に近づき、重力の赤方偏移のために次第に赤くなり、相対論的時間拡張が有効になるため、地平線に到達するまでに無限に長い時間を費やすように見えます。 したがって、どのような情報が含まれていても、ブラックホール自体の表面にエンコードされているように見えます。

ブラックホールの表面にエンコードされるのは、イベントホライズンの表面積に比例する情報のビットです。 (TB Bakker / JP van der Schaar博士、Universiteit van Amsterdam)

ブラックホールの質量がそのイベントの地平線のサイズを決定するため、これはブラックホールのエントロピーが存在する自然な場所を与えました:イベントの地平線の表面上。 突然のブラックホールはすべて、特定のサイズのイベントホライズンでエンコードできる量子ビットの数に基づいて、巨大なエントロピーを持っていました。 しかし、エントロピーを持つものはすべて温度も持っています。つまり、放射します。 ホーキングが有名に示したように、ブラックホールは特定の(黒体)スペクトルと温度の放射を放出します。これは、ブラックホールの質量によって定義されます。 時間の経過とともに、そのエネルギーの放出は、アインシュタインの有名なE = mc2により、ブラックホールの質量が減少していることを意味します。 エネルギーが放出されている場合、それはどこかから来る必要があり、その「どこか」はブラックホール自体でなければなりません。 時間が経つにつれ、ブラックホールの質量はどんどん失われていきます。遠い未来には、きらきらと輝く光が放たれ、完全に蒸発します。

永遠に続く暗闇のように見える永遠の背景に対して、光の単一のフラッシュが現れます。宇宙の最後のブラックホールの蒸発。 (ortega-pictures / pixabay)

これはすばらしい話ですが、問題があります。 放出する放射線は純粋な黒体です。つまり、完全に黒い物体を取り、特定の温度まで加熱した場合と同じ特性を持っています。 したがって、放射が特定の質量のすべてのブラックホールでまったく同じであり、これがキッカーです。これは、イベントホライズンに刻印されている情報とされていない情報にかかわらずです。

ただし、熱力学の法則によれば、これは不可能です。 これは情報を破壊することと同じであり、具体的には許可されていないものです。

燃えたものはすべて破壊されたように見えるかもしれませんが、火から出たものすべてを追跡すれば、焼けた状態に関するすべては、原則として回復可能です。 (パブリックドメイン)

非常に異なる内容の同じサイズの2冊の本を焼く場合、どちらかの本のテキストを再構築することは事実上できないかもしれませんが、紙のインクのパターン、分子構造の変化、およびその他の微妙な違いにはすべて情報が含まれます。その情報は、煙、灰、周囲の空気、およびその他のすべての粒子に含まれています。 本を含め、周囲の環境を任意の精度で監視できれば、必要なすべての情報を再構築できます。 それはスクランブルされていますが、失われていません。

しかし、ブラックホール情報のパラドックスは、ブラックホールの事象の地平線に刻印されたすべての情報が、蒸発すると、観測可能な宇宙に痕跡を残さないことです。

ブラックホールのシミュレートされた崩壊は、放射の放出をもたらすだけでなく、ほとんどのオブジェクトを安定に保つ中心軌道質量の崩壊をもたらします。 ブラックホールは静的なオブジェクトではなく、時間とともに変化します。 ただし、異なる材料で形成されたブラックホールは、イベントの地平線にエンコードされた異なる情報を持つ必要があります。(EUのCommunicate Science)

この情報の損失は、量子力学の規則によって禁止されるべきです。 どのシステムも量子波動関数で記述でき、すべての波動関数は一意です。 量子システムを時間をかけて進化させる場合、2つの異なるシステムが同じ最終状態に到達する方法はありませんが、それはまさに情報のパラドックスが意味するものです。 私たちが理解している限り、次の2つのいずれかが起こっているはずです。

  1. ブラックホールが蒸発すると、どちらかの情報が本当に何らかの形で破壊され、ブラックホールの蒸発に関する新しい規則や法律が制定されていることがわかります。
  2. または、放射された放射には何らかの形でこの情報が含まれています。つまり、これまでの計算よりもホーキング放射には多くの意味があります。

このパラドックスは、最初に気付いてから40年以上経った今でも、解決されていません。

宇宙全体に浸透する量子ゆらぎのイラスト。 これらの変動が、ブラックホールから発せられるホーキング放射に何らかの形で刻印されている場合、イベントの地平線にエンコードされた情報が保持される可能性があります。 (NASA / CXC / M。ワイス)

ホーキングの元の計算は、ホーキング放射による蒸発がブラックホールの事象の地平線に刻印された情報を破壊することを示していますが、現代の考えでは、何かが起こってその情報を出力放射にエンコードする必要があります。 多くの物理学者はホログラフィック原理に訴え、ブラックホールの表面にエンコードされた情報は純粋な熱ホーキング放射状態に量子補正を適用し、ブラックホールが蒸発してイベントの地平線が縮小するにつれて、放射に自身をインプリントすることに注意します。 ホーキング、ジョン・プレスキル、キップ・ソーン、ジェラール・ト・ホーフト、レナード・サスキンドがこの問題に関して賭けを行い、勝利と敗北を宣言したという事実にもかかわらず、パラドックスは非常に活気があり、未解決のままであり、1つ以外の多くの仮説による解決策がありますここに提示。

ブラックホールの地平線は、光でさえも何も逃げることができない球形または回転楕円体の領域です。 しかし、事象の範囲外では、ブラックホールは放射線を放出すると予測されています。 ホーキングの1974年の研究はこれを実証した最初の作品であり、間違いなく彼の最大の科学的成果でした。 (NASA;JörnWilms(Tübingen)et al .; ESA)

最善の努力にもかかわらず、エネルギー(および質量)を放出するときにブラックホールから情報が漏洩するかどうかはまだわかりません。 それが情報を漏らす場合、その情報がどのように漏えいしたのか、またHawkingの元の計算がいつどこで失敗したのかは不明です。 ホーキング自身は、10年以上前の議論を認めたにもかかわらず、このトピックについて積極的に発表し続け、しばしば彼が最終的にパラドックスを解決したと宣言しました。 しかし、パラドックスは未解決のままで、明確な解決策がありません。 おそらくそれは、科学で達成したいと考えている最大の遺産です。解決策にたどり着くまでに何世代もかかるほど複雑な新しい問題を明らかにすることです。 この特定のケースでは、ほとんどの人がソリューションの外観に同意しますが、そこに到達する方法は誰にもわかりません。 我々がそうするまで、それはホーキングが世界と共有したホーキングの比類のない、不可解な贈り物のほんの一部にとどまるでしょう。

Starts With A BangがForbesに掲載され、PatreonサポーターのおかげでMediumに再掲載されました。 イーサンは、2冊の本 『Beyond The Galaxy』と 『Treknology』を執筆しています。Scienceof Star TrekからTricordersからWarp Driveまで。