重力はホログラフィックに見える。それは現実にとって何を意味するのか？

重力はホログラフィックに見える。それは現実にとって何を意味するのか？ 現代理論物理学における最大のブレークスルーは、重力が空間の次元を収縮させることができるという発見である。物理学者はまだその意味を理解していない。 約10年前に物理学ジャーナリストとしての最初の数ヶ月間、私はAdS/CFTという不可解な文字の羅列によく遭遇した。完全に威圧された私は、それを無視することにした。しかし、砂の中に頭を埋めているわけにはいかなかった。すぐに、これらの文字が重力と量子力学という、一見調和しない世界の間の驚くべきつながりの略語であることを学んだ。さらに奇妙なことに、この「反ド・ジッター/共形場理論」対応は、重力が体積と面積の区別をなくすことを示唆している。このより広範な考え方はホログラフィック原理として知られており、それは今や私にとって過去30年間で最も深遠な理論物理学の提案であるように思われる。 理論物理学者は足で投票する傾向があり、AdS/CFTはラッシュアワーを引き起こした。1990年代後半のこのトピックに関する3つの基礎論文は、数万件の引用を獲得し、デジタル時代の理論物理学の著作の中で最も引用数の多いものとなった。ホログラフィーを研究する物理学者とのインタビューでは、彼らはしばしば本当に驚いているように見え、「魔法のよう」や「奇跡的」といった言葉を使ってそれを説明しようとする。そして、ホログラフィーが物理学で最も有名なパズルに対する広く受け入れられている答えにつながったことは、マイナスではない。スティーブン・ホーキングが主張したことに反して、ブラックホールは逃れられない牢獄ではないのだ。 しかし、ホログラフィーの多くの発展をカバーし、関与した物理学者と数え切れないほどの会話をした後でも、私は混乱していた。ホログラフィーは重力と量子力学が同一であり、空間は幻想かもしれないと示唆していると聞いた。また、ホログラフィーは数学的な事実としても、投機的な空想としても説明されているのを聞いた。そこで、これらの荒唐無稽な考えを三角測量して、ホログラフィック原理が私たちの宇宙について具体的に何を意味するのかを理解しようとした。 証拠 空間の任意の領域（実際には時空だが、物理学者がしばしば行うように、視覚化を容易にするためにこのエッセイ全体で時間を省略する）を箱で囲んでみよう。ホログラフィック原理は、内部で何が起こっていても――ガス分子が飛び交っていても、ブラックホールが衝突していても――表面の点を繰り返し測定するだけで、箱の中身全体を解読できると主張している。 この主張がいかに突飛であるかをしばらく考えてみてほしい。箱の中を全く見ることができないのだ。それにもかかわらず、ホログラフィーは、内部にアクセスすることなく、箱のどこで何が起こっているかを正確に学ぶことができると言っている。表面を観察するだけで十分なのだ。この意味で、箱を満たすものの量は、それを覆うペンキの量と同じである。それは論理と幾何学の違反である。それは平方メートルと立方メートルの間のカテゴリー的な違いを消去するように求めている。それはホログラフィック画像が平坦であるにもかかわらず奥行きがあるように見えることを思い出させるが、ホログラムの中の鳥は実際の鳥と同じである。 中国清華大学の理論物理学者であるバルテク・チェクは、この原理の力を、脳のCTスキャンと比較することで強調している。CTスキャンはX線を使って臓器の内部を見て、数百から数千の断層画像から再構築する。ホログラフィーは、内部を実際に見ることなく、3次元のすべてのひだ、血管、ニューロンを再構築できることを示唆している。脳の表面を撮影するだけで十分なのだ。 なぜ誰もこのような突飛な考えを受け入れるのだろうか？それは思考実験と数学に根ざしており、一つの力にたどることができる。「重力の奇跡」だとチェクは言った。科学者たちは、重力が他の力とは異なると100年以上前から知っている。電気素量（電磁気学という別の基本的な力）を表す、電荷で満たされた箱を想像してみよう。箱の中身は電荷とその電荷が作り出す電場であり、それは外側の表面も通過する。表面だけを見て、どのような電荷の配置がその場を作り出しているかを推測しようとすると、問題が発生する。正電荷は負電荷を中和するため、異なる配置が同じように見える可能性がある。場が観測されない場合、内部に電荷がないことを意味するかもしれない――あるいは、内部の正電荷の効果が負電荷の効果を完全にブロックしていることを意味するかもしれない。表面からは、その違いを区別できない。 重力では、質量が電荷の役割を果たす。それは周囲の時空を歪ませ、常に正である。負の質量はないので、箱の表面での時空の歪みから、内部のものの唯一の実際の配置を常に推測できる。「直感的には、これがホログラフィーがもっともらしい理由だ」と、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所で量子重力を研究する物理学者、ローラン・フリーデルは言った。しかし、ホログラフィーが本当に機能するのは、量子力学の複雑な詳細を考慮に入れた後である。 最初の手がかりは1970年代に現れた。ヤコブ・ベッケンシュタインとスティーブン・ホーキングがブラックホールのエントロピー――通常は物体にどれだけのものが収まるかを示す尺度――を計算したときである。彼らは量子理論を使って、ブラックホールが粒子を飲み込むにつれてどのように成長するかを予測した。不可解なことに、ブラックホールに粒子を追加することを想像したとき、彼らはエントロピーが体積ではなく表面積に比例して増加することを発見した。 スタンフォード大学の物理学者であるレナード・サスキンドは、1990年代にその結果を基に、ブラックホールは文字通りホログラムであり、内部で起こることはすべて外部から観測できると提案した。ある意味で、内部は余分だった。「私はそれを少しクレイジーだと思った」とサスキンドは言った。「しかし、それはすべての可能性の中で最もクレイジーではないと思った。」（ノーベル賞受賞者のジェラール・トホーフトと、フロリダ大学ゲインズビル校の物理学者チャールズ・ソーンも、ほぼ同時期に同様の結論に達した。） 私はこのブラックホールエントロピーの議論を常に説得力があると感じている。なぜなら、どんな空間のパッチでも、十分な質量を投入すればブラックホールになり得るからだ。奇妙さで悪名高いにもかかわらず、ブラックホールは空間の代表的な例である。それらは単に空間のより奇妙な特性を前面に押し出す方法を持っているだけだ。したがって、ブラックホールがホログラフィックであり、空間のどの領域もブラックホールになり得るならば、その議論によれば、あなたが座っている部屋でさえホログラフィックであるべきだ。「それは完全に一般的だ」とサスキンドは言った。 1990年代、物理学者のレナード・サスキンドはブラックホールを文字通りのホログラムとして考案した。彼は、表面を測定するだけで内部を知ることができると判断した。リンダ・A・シセロ/スタンフォード・ニュース・サービス この議論は非常に普遍的だが、物理学者がホログラフィーを不確かな現実とのつながりを持つ投機的なアイデアとして説明するのを私は聞いたことがある。そこで、エディンバラ大学のヒッグスセンターで物理学を研究しているラサム・ボイルに電話をかけ、別の見方を期待した。彼は期待を裏切らなかった。ボイルはベッケンシュタインとホーキングのブラックホール発見に異議を唱えるわけではないが、ホログラフィック解釈には疑問を呈している。彼は、ブラックホールが形成されるときのように、空間の領域の周りに表面を置くという行為が、2つの異なる種類のエントロピーを作り出すと疑っている。一つ目のエントロピーは、どれだけの粒子が内部に収まるかを示しており、それは実際に体積に依存する。表面の存在は、2番目の「エンタングルメント」エントロピーを与える。内部の粒子は、外部の粒子とエンタングルメントとして知られる量子的なつながりを共有している。しかし、