Note on the Pure State of Old Black Holes in Some Models of Asymptotically Flat Quantum Gravity

ブラックホールは、その恐ろしい重力だけでなく、宇宙の仕組みの核心にある深い矛盾ゆえに、長らく物理学者の想像力をかき乱してきました。一方には、重力を時空の滑らかな歪みとして記述する一般相対性理論が立っています。もう一方には、情報は決して真に失われることはないと主張する、原子や粒子の微小な世界のためのルールブックである量子力学があります。ブラックホールが形成され、最終的に蒸発するとき、これら二つの理論は衝突するように見えます。もしブラックホールが物質を飲み込み、そして消滅するとしたら、その物質に関する情報はどのようになるのでしょうか？ それは消滅し、量子力学の法則を破るのでしょうか、それとも、おそらく穴の端にある時空の滑らかな織物を破壊するような方法で、外へと逃れていくのでしょうか？ 「事象の地平線」として知られるこの境界は、激しい論争の舞台となっています。ある物理学者は、地平線は観測者にとって異常を感じさせない穏やかな場所であると主張します。一方で、情報のパズルに直面した他の物理学者は、「ファイアウォール（火壁）」、すなわち、境界を越えようとするあらゆるものを焼き尽くす激しいエネルギーの壁を提唱してきました。この問いは単にブラックホールについての問題ではありません。私たちの現在の現実理解、具体的には、空間が滑らかなエネルギー場に満たされているという考えが、実際に正しいのかどうかという問題なのです。

最近の論文の中で、理論物理学者のトム・バンクスは、曲がった空間におけるブラックホールの複雑な数学から離れ、より単純でより根本的なモデルのレンズを通してこの問題に鋭く切り込んでいます。彼は、重力が基本的な力そのものではなく、量子粒子の振る舞いから創発するという、二つの特定の枠組みを調査しています。一つのモデルは、二次元における弦（ストリング）を含む理論の変種であり、もう一つは十一次元超重力理論に由来するものです。どちらの場合も、研究者たちはブラックホールから始めてそれを方程式に当てはめようとするのではありません。代わりに、彼らは普通の量子力学の道具を用いて、粒子を集合させて安定した高エネルギー状態へと組み立てることで、ブラックホールを底辺から構築していくのです。これらの状態は、謎めいた表面を持つ滑らかで空虚な空洞ではありません。それらは、自らの相互作用によって結びつけられた、非常に密集した粒子のクラスターのような、複雑でカオス的な束縛状態なのです。

バンクスがこれらの構築されたブラックホールを分析すると、有名な「ファイアウォール」のパラドックスは単に存在しないことが分かります。混乱が生じる理由は、物理学者が、空間が滑らかで連続的な場に満たされていると仮定する量子場理論の言語を用いて、これらの天体の内部を記述しようとしてきたことにあります。バンクスが研究しているモデルにおいて、ブラックホールを構成する粒子は、地平線の近くに滑らかな場として広がっているのではなく、単一の巨大な量子オブジェクトの離散的な構成要素なのです。ブラックホールが蒸発するとき、それは謎めいた表面から粒子を放出することによってではなく、水たまりから水滴が蒸発するように、自分自身の個々の断片をゆっくりと放出することによって行われます。放出された粒子は残りのクラスターと量子もつれの状態にあり、つまりそれらの量子状態は連結していますが、この連結はクラスターが進化するにつれて急速かつ混沌とした形で変化します。

この論文は、「ファイアウォール」という概念は、間違った種類の数学を用いていることによる誤解であると論じています。これらのモデルにおいて、ブラックホルの端で物理法則が突然、暴力的に壊れることはありません。むしろ、ブラックホールから外部の世界への移行は、視点の問題です。遠方にいる観測者にとって、ブラックホールは熱を放射する熱的な物体のように見えます。複雑な量子システムの内部にいる観測者にとって、それは粒子が混沌としたダンスの中で相互作用している集まりに過ぎません。「地平線」は、時空が引き裂かれる物理的な障壁ではなく、システムの記述が、束縛された粒子の集まりから自由な運動を行う放射へと移り変わる境界に過ぎないのです。放射と残されたブラックホールとの間の量子もつれは実在しますが、それはパラドックスを引き起こすような静的で無限の接続ではありません。それは、システムが情報をかき混ぜる（スクランブルする）につれて衰退していく、動的で束の間の繋がりなのです。

バンクスは、滑らかな事象の地平線とそれに伴うエネルギーの発散を伴う標準的なブラックホールのイメージは、問題に対して誤った道具を適用することによって作り出された錯覚であると結論付けています。彼が研究しているモデルは、ブラックホールが、アインシュタインの方程式によって予測されるブラックホールと全く同じサイズ、エネルギー、エントロピーを持つ、単なる複雑な量子状態であることを示しています。それらは、物理法則が崩壊するような特別な特異な表面を持ってはいません。したがって、情報のパラドックスへの解決策は、ファイアウォールや情報を救うための新しいメカニズムを捏造することではなく、ブラックホール付近の空間における量子場理論の記述が根本的に間違っていることを受け入れることなのです。宇宙はブラックホールの問題に対して劇的で暴力的な解決策を必要としているのではなく、単に、私たちがこれまで見ることができなかった場所において、空間が滑らかで連続的であるという仮定を止めることを求めているのです。ブラックホールは、秘密を持つ怪物でもなければ、隠された罠を持つパズルでもありません。それは、量子力学が要求する通りに正確に振る舞う、複雑で進化し続けるシステムであり、その端にエキゾチックな新しい物理学を必要とはしないのです。