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ブラックホールが量子状態を現実のものにする

新しい思考実験が、ブラックホールの存在だけで近くの量子空間の重ね合わせが破壊されることを示唆している。この実験は、重ね合わせの粒子の長距離重力場がブラックホールの事象の地平線と相互作用し、量子重ね合わせが有限時間内にデコヒーレンスになることを示している。

コヒーレンスとは、量子力学の概念で、システムが同時に複数の異なる量子状態の重ね合わせの中に存在することを可能にするものである。デコヒーレンスとは、システムを特定の状態にする測定を行うことで、重ね合わせ状態を破壊するプロセスのことである。この場合の測定とは、一般的な用語で、量子系とその周囲との相互作用を指す。測定とは、例えば、実験室でシステムの特性(光子の偏光など)を決定するだけでなく、迷走磁場や温度の揺らぎも測定対象となり得る。

しかし、物理学者たちは、重力を量子理論の自然界の説明に取り入れることが出来ていない。現在の重力の理論はアルベルト・アインシュタインの一般相対性理論によって最もよく説明されており、両者を量子重力理論で統一することが現代物理学の重要な目標だ。しかし、この取り組みは困難であり、量子重力の効果は非常に短い距離スケールと極端な高エネルギーに対応していると予想されている。これは、現在および将来の粒子加速器の能力をはるかに超えているのだ。

量子重力理論を探るための思考実験

現実の実験が行えないため、物理学者たちは思考実験を用いて量子重力の一貫した理論を開発しようとしている。これらの実験は、ブラックホールの事象の地平線に存在するような極端な重力条件下での量子システムの挙動を理解しようとしている。事象の地平線とは、ブラックホールを取り巻く境界であり、この境界を越えると、光さえもブラックホールの強力な重力場から逃れることが出来ない。これは、情報がブラックホールに入ることができるが、出ることはできないことを意味する。

この最新の思考実験は、シカゴ大学とプリンストン大学の物理学者によって考案され、arXivサーバーのプレプリントに記載されている。共著者のDaine Danielson氏は、実験ではブラックホールの事象の地平線の裏側に隠れた観測者を考慮していると述べている。

思考実験では、アリスとボブという2人の観測者によって、電子のような巨大な粒子を、2つのスリットがあるバリアに向けて発射する、いわゆる「二重スリット実験」について考察されている。量子力学によれば、電子は2つのスリットを同時に通過して回折する波として振る舞う。つまり、電子は2つの状態のコヒーレントな空間的重ね合わせの状態にあり、それぞれがそれぞれのスリットを通過する。電子がスリットの後ろにあるスクリーンにぶつかると、2つの状態が再結合して干渉パターンが作られる。これが「デコヒーレンス」であり、量子の可能性が制限される。

ここで、アリスとは別にボブが観測している場合、粒子の発する光をボブが自分の目で受け止めていたらどうだろう。この場合も同様に、粒子が発する光にボブ自身を重ね合わせることで、粒子の波の可能性をさらに狭め、さらに変化させることができる。

では、もし、このボブが何光年も離れた遠い惑星に立ち、望遠鏡で箱を覗き込んでいたとしたら?ここで、奇妙なことが起こる。

電磁波の波紋が確定してスクリーンに縞模様を作り出すまでに何年もかかったにもかかわらず、ボブは粒子と重ね合わせを行うことになるのだ。量子論によれば、粒子の波動にも顕著な変化が生じるはずで、遠い世界のボブが望遠鏡を設置し始めるずっと前に、アリスがそれを見ることができるのだ。

しかし、もしボブがブラックホールの奥深くに潜んでいたらどうだろう。箱から出た光は、ブラックホールの地平線を越えて、時空の狭間に落ちていくかもしれない。しかし、一般相対性理論のルールでは、第二の観測者との絡み合った運命の情報が、外に漏れ出すことはありえないのだ。

もし、アリスが二重スリット実験を行う間、量子重力理論では、質量のある粒子が「ソフト重力子」と呼ばれるものを介してブラックホールと相互作用する必要がある。重力子は重力場の仮説上の媒介粒子であり、電磁場の媒介粒子である光子に相当する。

これらのソフト重力子はブラックホールに吸収され、原理的にはボブによって測定されることが出来る。時間の経過とともにソフト重力子の複数の測定を行うことで、ボブはアリスの実験における量子重ね合わせの状態を推定することができるはずだ。つまり、ボブはブラックホールの事象の地平線を超えたところからアリスの実験を測定し、空間的な重ね合わせをデコヒーレント化させている。

因果律の逆転

ここにパラドックスが生じる。情報が事象の地平線を超えて外に出ることができないのであれば、ボブがどのようにしてアリスの実験をデコヒーレント化できるのだろうか?実際、それは因果律に反している。Danielson氏らは、このパラドックスは、ブラックホール自体がボブがデコヒーレント化する前にアリスの実験をデコヒーレント化することで解決されると主張している。

つまり、彼らは、ブラックホールが古典的な観測者と同じように量子重ね合わせに影響を与えると述べているのだ。Danielson氏は、「ここでは、宇宙の幾何学自体が量子重ね合わせに『確定性』を与えている状況が明確になっている」と述べている。

ブラックホールだけでなく、光速に近づくほど加速する物体も、情報が二度と戻らない地平面を経験することになる。この研究によれば、このような「リンドラー地平面」も、量子状態のデコヒーレンスを引き起こす可能性があるとのことだ。

こうした思考実験は、量子重力の一貫した理論がいつか持つかもしれない基本的なルールを探るために役立つだろう。共著者のGautam Satishchandran氏は、「例えば、量子重力の理論は、量子システムとして働くブラックホールが観測者として働くという基本的な特徴を持たなければならない」と述べている。

この思考実験は、ブラックホールが不可逆性の源となり、完全に回復できない量子状態の破壊を示唆している。重力は無限に長い距離で働くため、実験がブラックホールからどれだけ離れていても、著者らが計算するデコヒーレント化効果はゼロではないと彼は言う。従って、量子重ね合わせの生成と再結合は、常に「地平線を超えた部分が不可逆に失われる」ため、完全に効率的には行われないのだ。

これは、宇宙が意識を持っているわけではなく、むしろ量子状態が絶対的な測定に解決する客観的な理論や、重力と量子物理学が一つの包括的な物理理論で出会う場所を示唆しているのかも知れない。


論文

参考文献

研究の要旨

我々は最近、質量(または荷電)体を量子空間重ね合わせ状態に置くと、その近傍にブラックホールが存在するだけで、重ね合わせ状態が最終的にデコヒーレンスすることを示した。この論文では、より一般的に、キリング地平線を持つ時空では、定常的な重ね合わせのデコヒーレンスが起こることを示す。これは、事実上、身体の長距離場がキリング地平に登録されるためで、地平を通る「柔らかい地平線の重力子/光子」のフラックスが必要であることを示すものである。これにより、キリングホライズンは、量子的な重ね合わせの「どの経路を通るのか」という情報を収集し、どんな量子的な重ね合わせも有限時間で解凍してしまうのだ。特に、平坦な時空で一様に加速する物体が量子的な重ね合わせの中にある場合の解析は有益である。リンドラーの視点からは、この重ね合わせは、リンドラーの地平線を無視できるエネルギーで伝搬する「柔らかい重力子/光子」によって非干渉化されることがわかる。このデコヒーレンス効果は、ウンルー放射の存在から生じるデコヒーレンスとは異なり、より大きなものであることを示す。さらに、慣性的な観点から、この非干渉性は、高周波の(慣性)重力子/光子のヌル無限大への放射によるものであることを示す。(リンドラーの地平線を伝播する重力子/光子という概念は、無限に伝播する重力子/光子という概念と同じである)。また、デ・シッター時空における宇宙論的地平線の存在に起因する空間的重ね合わせのデコヒーレンスも解析する。このような量子的な重ね合わせのデコヒーレンス時間を、リンドラーの場合と宇宙論的な場合の両方で推定することが出来る。

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執筆者
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masapoco

TEXAL管理人。中学生の時にWindows95を使っていたくらいの年齢。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題が得意だが、テクノロジー関係の話題も大好き。最近は半導体関連に特に興味あり。アニメ・ゲーム・文学も好き。最近の推しは、アニメ『サマータイムレンダ』

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