ブラックホール情報パラドックス

ブラックホール情報パラドックス

ブラックホールに関連する「ブラックホール情報パラドックス」は、物理学の根本的な問題を提起します。このパラドックスは、ブラックホールの特性がその内部に落ち込む物質と無関係であるとの考えから生じます。この概念によれば、ブラックホールに吸い込まれた物質の情報は失われるとされるのです。一方で、量子力学の原則に基づけば、情報は常に保存されるとされています。この相反する理論の対立が、ブラックホール情報パラドックスの要となります。

原理と背景

ブラックホール情報パラドックスの根底には2つの主要な原理があります。まず、量子決定論では、ある波動関数が与えられると、その未来の変化は特定の方法で決まります。また、可逆性の原理があり、これにより過去の波動関数も一意に決定されるべきとされます。この2つが重なることで、情報は常に保存されるとの結論に達します。

1970年代、スティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインは、一般相対性理論と量子場理論に基づき、情報の保存に矛盾するブラックホール熱力学の概念を描きました。ホーキングの計算は、ホーキング放射がブラックホールの蒸発過程で情報を保持しないことを示唆していました。しかし、近年の研究では、ホログラフィック原理やAdS/CFT対応が情報の保存を可能にするという考え方が支持されています。特に、ホーキング自身も後に情報は保存されると認めました。

ホーキング放射

1975年にホーキングとベッケンシュタインは、ブラックホールが放射を行うことを発見しました。ホーキング放射は、落ち込む物質とは関係なく独立して発生しますが、量子もつれを持つ純粋状態の物質がホーキング放射によって混合状態に変わることが、情報の消失を示唆します。この現象は物理学における重要なパラドックスを生み出しています。具体的には、ブラックホールの内部に全ての物質が集まり、情報が失われることが示唆されています。

1997年には、ホーキング、キップ・ソーン、ジョン・プレスキルの間で、ブラックホールが情報を失うか否かについて賭けが行われました。この賭けは、ホーキングの見解に異を唱える意見が多かったため、論争を引き起こしました。最終的には、ホーキング自身が自らの理論を再考し、情報の保存が可能であることに同意しました。

パラドックスの解決に向けたアプローチ

ブラックホール情報パラドックスに対する解決策には、いくつかの提案が存在します。以下にいくつかの基本的なアイデアを示します。

1. 情報は失われ回収無理：このアプローチは自然に見えるものの、エネルギー保存の法則に反します。
2. 情報は徐々に漏れ出す：これにより、ホーキング放射から情報が回収可能とされるが、古典物理学との食い違いが指摘されています。
3. 情報は突然逃げ出す：ブラックホールの蒸発の際、情報が急に解放されるとする仮説ですが、物理的制約があるため困難です。
4. 情報はプランクサイズの残骸に保存される：この考え方は理論的には面白いが、実現には巨額の条件が必要です。
5. 情報は別の宇宙に保存：過去と未来の相関の中に情報があるとすれば、時間の経過に関する新しい理解が求められます。

これらの解決策はそれぞれ利点と欠点があり、決定的な答えには至っていないのが現状です。情報が失われないことが強く望まれるため、物理学者は新しい理論や実験的な証拠をもとに再検討し続けています。

結論

ブラックホール情報パラドックスは、物理学における深遠な問題を提起します。この問題を解決するためには、量子力学と一般相対性理論の統合の必要性が増しています。情報がどのように保存され、または失われるのかの理解は、現代物理学において極めて重要な課題です。

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