英語で読む日経サイエンス

SCIENTIFIC AMERICAN November 2016

Black Holes, Wormholes and the Secrets of Quantum Spacetime

ワームホールと量子もつれ 量子時空の謎

By Juan Maldacena J. マルダセナ
English 日本語 日本語
Theoretical physics is full of mind-boggling ideas, but two of the weirdest are quantum entanglement and wormholes. The first, predicted by the theory of quantum mechanics, describes a surprising type of correlation between objects (typically atoms or subatomic particles) having no apparent physical link. Wormholes, predicted by the general theory of relativity, are shortcuts that connect distant regions of space and time. Work done in recent years by several theorists, including myself, has suggested a connection between these two seemingly dissimilar concepts. Based on calculations involving black holes, we realized that quantum mechanics’ en­­tanglement and general relativity’s wormholes may actually be equivalent—the same phenomena described differently—and we believe the likeness applies to situations beyond black holes.  理論物理学には度肝を抜く信じがたい考え方が数多いが,特に奇妙なのが「量子もつれ」と「ワームホール」の2つだ。前者は量子力学の理論から予言され,2つの物体(典型的には原子や素粒子)が物理的なつながりを欠いているように見えるにもかかわらず,驚くべき相関関係を示す。かたや一般相対性理論から予言されるワームホールは,時空のなかで遠く離れた領域を結ぶ一種の近道だ。
 これら一見するとまるで異なる2つの概念につながりがあることが,私自身を含む何人かの理論家による近年の研究で示唆された。私たちはブラックホールに関する理論計算から,量子力学がいう量子もつれと一般相対論のワームホールが実は等価かもしれないと気づいた。
 つまり,量子もつれとワームホールは同じ現象を別の形で記述したものなのかもしれない。私たちはまた,この類似性がブラックホール以外にも広く当てはまると考えている。
This equivalence could have profound consequences. It suggests that spacetime itself could emerge from the entanglement of more fundamental microscopic constituents of the universe. It also suggests that entangled objects—despite having long been viewed as having no physical connection to one another—may in fact be connected in ways that are far less fantastical than we thought.  この等価性は重大な意味を持っている。時空そのものが,より根本的な宇宙のミクロの構成要素の量子もつれから出現すると考えられるのだ。また,これまで長らく物理的つながりがないとみられてきた量子もつれ状態の物体どうしが,実は思いのほかありきたりの方法で結びついている可能性を示している。
Furthermore, the relation between entanglement and wormholes may help in developing a unified theory of quantum mechanics and spacetime—what physicists call a theory of quantum gravity—that derives the physics of the macroscopic cosmos from the laws that govern the interactions of the atomic and subatomic realms. Such a theory is necessary for understanding the big bang and the interior of black holes.  さらに,量子もつれとワームホールの関連性は量子力学の理論と時空の理論を統合した「量子重力理論」を打ち立てるのに寄与するだろう。量子重力理論は原子や素粒子の相互作用を支配する法則から宇宙の大スケールで展開する物理現象を導く理論で,ビッグバンやブラックホールの内部を理解するのに欠かせない。
Interestingly, both quantum entanglement and wormholes date back to two articles written by Albert Einstein and his collaborators in 1935. On the surface, the papers seem to deal with very different phenomena, and Einstein probably never suspected that there could be a connection between them. In fact, entanglement was a property of quantum mechanics that greatly bothered the German physicist, who called it “spooky action at a distance.” How ironic that it now may offer a bridge to extend his relativity theory to the quantum realm.  面白いことに,量子もつれとワームホールはどちらも,アインシュタイン(Albert Einstein)とその共同研究者による1935年の2篇の論文にさかのぼる。表面的には,これらの論文はまったく異なる現象を扱っており,おそらくアインシュタイン自身も2つに関連があるなど思いもしなかっただろう。
 それどころか,量子もつれはこのドイツ人物理学者を大いに困惑させた量子力学的特性であり,彼はこれを「気味の悪い遠隔作用」と呼んでいた。それがいま,彼の相対論を量子の世界に拡張する架け橋を提供することになろうとは,何という皮肉だろう。