Hawking's black hole paradox explained - Fabio Pacucci

翻訳: Kazuyo Amano 校正: Tomoyuki Suzuki

Scientists work on the boundaries of the unknown,

科学者は未知への扉を開くべく

where every new piece of knowledge forms a path into a void of uncertainty.

あらゆる新たな知識を駆使し 真理への道を探究しています

And nothing is more uncertain–

特に不確定要素が多く 新発見の可能性を秘めるのが

or potentially enlightening– than a paradox.

パラドックスです

Throughout history,

歴史を通して

paradoxes have threatened to undermine everything we know,

私たちが正しいと認識しているものは パラドックスにより脅かされ

and just as often, they’ve reshaped our understanding of the world.

その度に私たちは世界に対する理解を 再構築してきました

Today, one of the biggest paradoxes in the universe

現在 宇宙に関する 最大のパラドックスの１つが

threatens to unravel the fields of general relativity and quantum mechanics:

一般相対性理論と量子力学に対する 理解を脅しています

the black hole information paradox.

「ブラックホール情報パラドックス」です

To understand this paradox,

このパラドックスを理解するために

we first need to define what we mean by "information."

まず「情報」とは何かを 定義づける必要があります

Typically, the information we talk about is visible to the naked eye.

通常 情報といえば 目で見えるものです

For example,

例えば

this kind of information tells us that an apple is red, round, and shiny.

私たちはこの種の情報から リンゴは赤く 丸く 光沢があると理解します

But physicists are more concerned with quantum information.

しかし 物理学者は量子情報に より関心を向けます

This refers to the quantum properties of all the particles that make up that apple,

つまり リンゴを構成している 全素粒子の量子的性質

such as their position, velocity and spin.

例えば位置 速度 回転に注目するのです

Every object in the universe is composed

宇宙における全ての物体は

of particles with unique quantum properties.

それぞれ固有の量子的性質をもつ 素粒子で構成されています

This idea is evoked most significantly in a vital law of physics:

これは 物理学における根源的な法則 ー

the total amount of quantum information in the Universe must be conserved.

「宇宙にある全ての量子情報は保存される」 という法則に基づく重要な考えです

Even if you destroy an object beyond recognition,

物を粉々になるまで破壊したとしても

its quantum information is never permanently deleted.

量子情報がなくなることはありません

And theoretically, knowledge of that information

そのため 理論的には 情報を集めることで

would allow us to recreate the object from its particle components.

物体をその構成物である素粒子から 再構成することが可能です

Conservation of information isn’t just an arbitrary rule,

情報の保存は根拠のない法則ではなく 数理的な必然であり

but a mathematical necessity, upon which much of modern science is built.

現代科学の多くは その上に成り立っています

But around black holes, those foundations get shaken.

しかしブラックホール周辺では その根幹が揺らぎます

When an apple enters a black hole,

リンゴがブラックホールに入ると

it seems as though it leaves the universe,

リンゴは宇宙からなくなり

and all its quantum information becomes irretrievably lost.

全ての量子情報が 消えたかのように見えます

However, this doesn’t immediately break the laws of physics.

しかし これですぐに物理学の法則が 崩れるわけではありません

The information is out of sight,

情報は目で見えなくなりますが

but it might still exist within the black hole’s mysterious void.

謎に包まれたブラックホールの無の空間に まだ存在しているのです

Alternatively, some theories suggest

他方で提唱されているのは

that information doesn’t even make it inside the black hole at all.

情報はブラックホールの中に 入ってさえいないとする理論です

Seen from outside, it’s as if the apple’s quantum information

外から見るとリンゴの量子情報は

is encoded on the surface layer of the black hole, called the event horizon.

ブラックホールの表層「事象の地平線」に 符号化されるかのように見えます

As the black hole’s mass increases,

ブラックホールの質量が増えるにつれて

the surface of the event horizon increases as well.

事象の地平線の表面積も増加します

So it’s possible that as a black hole swallows an object,

そのため物体を吸い込む時 ブラックホールが

it also grows large enough to conserve the object’s quantum information.

その物体の量子情報を保存できるよう 大きくなるということはあり得ます

But whether information is conserved inside the black hole or on its surface,

とはいえ 情報の保存場所が ブラックホール内部であれ 表面であれ

the laws of physics remain intact–

物理学の法則は保たれています

until you account for Hawking Radiation.

しかし 「ホーキング放射」では そうはいきません

Discovered by Stephen Hawking in 1974,

1974年 スティーブン・ホーキング博士は

this phenomenon shows that black holes are gradually evaporating.

ブラックホールが徐々に 蒸発しているという理論を発表しました

Over incredibly long periods of time

途方もなく長い時間をかけて

black holes lose mass as they shed particles away from their event horizons.

ブラックホールは事象の地平線から 粒子を放ち 質量を失っているのです

Critically, it seems as though the evaporating particles

正確に言うと 蒸発している粒子は

are unrelated to the information the black hole encodes–

ブラックホールが符号化する 情報とは関係がないということ ―

suggesting that a black hole and all the quantum information it contains

すなわち ブラックホールは それが有する全ての量子情報と共に

could be completely erased.

蒸発により完全に消失し得ると ホーキング博士は提唱したのです

Does that quantum information truly disappear?

量子情報は本当に 消えてしまうのでしょうか

If not, where does it go?

消えないのなら どこへ行くのでしょうか

While the evaporation process would take an incredibly long time,

蒸発には 信じられないほど 長い時間がかかる一方

the questions it raises for physics are far more urgent.

物理学では切迫した問題が生じます

The destruction of information

情報が消失している場合

would force us to rewrite some of our most fundamental scientific paradigms.

基本的な科学的思考の枠組みを 改める必要があるのです

But fortunately, in science,

しかし幸いなことに

every paradox is an opportunity for new discoveries.

科学においてパラドックスは 新たな発見の機会でもあります

Researchers are investigating a broad range of possible solutions

現在 情報パラドックスの 考えられ得る多様な解決策を

to the Information Paradox.

研究者らが検証しています

Some have theorized

ある研究者は

that information actually is encoded in the escaping radiation,

ブラックホールの放つ放射の中に 情報が符号化されるが

in some way we can’t yet understand.

その方法は未解明だと論じました

Others have suggested the paradox is just a misunderstanding

一方「一般相対性理論」と「場の量子論」の 間にある関係の誤解により

of how general relativity and quantum field theory interact.

情報パラドックスが生じるのだと 論じる研究者もいます

Respectively,

一般相対性理論と量子論は

these two theories describe the largest and smallest physical phenomena,

それぞれ最大 最小の物理現象を 記述していますが

and they’re notoriously difficult to combine.

これらの理論を統合することは 非常に難しいのです

Some researchers argue that a solution to this and many other paradoxes

さらに 情報パラドックスと 他の多くのパラドックスに対する解決策は

will come naturally with a “unified theory of everything.”

「万物の理論」に必然的に 行き着くと論じる研究者もいます

But perhaps the most mind-bending theory to come from exploring this paradox

しかし情報パラドックスをめぐる 理論のうち 定説を覆すのが

is the holographic principle.

「ホログラフィック原理」でしょう

Expanding on the idea that the 2D surface of an event horizon

事象の地平線の２次元的な表面は 量子情報を保存できるという理論を発展させ

can store quantum information,

ホログラフィック原理は

this principle suggests that the very boundary of the observable universe

「観測可能な宇宙」の果ては ２次元の平面で

is also a 2D surface encoded with information

そこに実際の３次元の物体に 関する情報が

about real, 3D objects.

符号化されていることを 示唆しています

If this is true, it’s possible that reality as we know it

これが正しければ 私たちが知ってる現実は

is just a holographic projection of that information.

情報がホログラムのように投影されているに すぎないという可能性があるのです

If proven, any of these theories would open up new questions to explore,

いずれかの理論が 現在の宇宙モデルを維持し

while still preserving our current models of the universe.

情報パラドックスを解消しても 探究すべき新たな問題が生じるでしょう

But it’s also possible that those models are wrong!

しかし 現在のモデル自体が 間違っている可能性もあります

Either way, this paradox has already helped us take another step

どちらにせよ 情報パラドックスにより 私たちは前進しています

into the unknown.

未知なる世界へと