The Holographic Universe Turns 25

ホログラフィック宇宙 時空の本質に迫った四半世紀

By Anil Ananthaswamy A. アナンサスワーミー
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A quarter of a century ago a conjecture shook the world of theoretical physics. It had the aura of revelation. “At first, we had a magical statement ... almost out of nowhere,” says Mark Van Raamsdonk, a theoretical physicist at the University of British Columbia. The idea, put forth by Juan Maldacena of the Institute for Advanced Study in Princeton, N.J., suggested something profound: that our universe could be a hologram. Much like a 3-D hologram emerges from the information encoded on a 2-D surface, our universe’s 4-D spacetime could be a holographic projection of a lower-dimensional reality.  四半世紀前,一つの予想が理論物理学の世界を揺るがした。それには天啓のようなオーラがあった。「神秘的で,降って湧いたかのようだった」と,加ブリティッシュ・コロンビア大学の理論物理学者ファン・ラームスドンク(Mark Van Raamsdonk)は言う。ニュージャージー州にあるプリンストン高等研究所のマルダセナ(Juan Maldacena)が提唱したそのアイデアは,我々の宇宙がホログラムである可能性を示唆する。2次元面上に記録された情報から3次元の立体像を再現するホログラムのように,我々の宇宙の4次元時空は3次元の世界を投影したものなのかもしれない。
Specifically, Maldacena showed that a five-dimensional theory of a type of imaginary spacetime called anti–de Sitter space (AdS) that included gravity could describe the same system as a lower-dimensional quantum field theory of particles and fields in the absence of gravity, referred to as a conformal field theory (CFT). In other words, he found two different theories that could describe the same physical system, showing that the theories were, in a sense, equivalent—even though they included different numbers of dimensions, and one factored in gravity where the other didn’t. Maldacena then surmised that this AdS/CFT duality would hold for other pairs of theories in which one had a single extra dimension, possibly even those describing 4-D spacetime akin to ours.  具体的に言うと,マルダセナは,5次元の仮想的な時空「反ド・ジッター(AdS)空間」上の重力の理論が,重力を含まない4次元の場の量子論「共形場理論(CFT)」と同じ系を記述できることを示した。つまり,彼は同じ物理系を記述できる2つの異なる理論を見つけ,それらがある意味で等価であることを示したのだ。2つの理論は次元が異なるうえ,一方は重力を含むがもう一方は重力を含まないにもかかわらずだ。さらにマルダセナは,このAdS/CFT対応が,次元が1だけ異なる一対の理論,おそらく我々の宇宙のような4次元時空を記述する理論を含むペアに対しても成り立つと予想した。
The conjecture was both intriguing and shocking. How could a theory that included gravity be the same as a theory that had no place for gravity? How could they describe the same universe? But the duality has largely held up. In essence, it argues that we can understand what happens inside a volume of spacetime that has gravity by studying the quantum-mechanical behavior of particles and fields at that volume’s surface, using a theory with one less dimension, one in which gravity plays no role. “Sometimes some things are easier to understand in one description than the other, and knowing that you’re really talking about the same physics is very powerful,” says Netta Engelhardt, a theoretical physicist at the Massachusetts Institute of Technology.  彼の予想は興味をそそると同時に衝撃的だった。重力を含む理論と含まない理論がどうして等価でありえるのか。その2つの理論がどうして同じ宇宙を記述できるのか。しかし,このマルダセナの双対性はおおむね支持されてきた。AdS/CFT対応は,突き詰めると,重力が存在する時空で起こっていることを理解するには,その無限遠の境界面上の粒子の量子力学的振る舞いを,重力を含まない1次元低い理論を用いて調べればよいということだ。「物事を理解する際,ある記述よりも別の記述のほうが容易なことがある。それらが実際に同じ物理現象を記述しているのだと気づくことは非常に重要だ」と,マサチューセッツ工科大学の理論物理学者エンゲルハート(Netta Engelhardt)は言う。
In the 25 years since Maldacena proposed the idea, physicists have used this power to address questions about whether black holes destroy information, to better understand an early epoch in the our universe’s history called inflation, and to arrive at an astonishing conclusion that spacetime may not be fundamental—it may be something that emerges from quantum entanglement in a lower-dimensional system. These advances all involve the theoretically plausible spacetime of anti–de Sitter space, which is not the de Sitter space that describes our universe. But physicists are optimistic that they’ll one day arrive at a duality that works for both. If that were to happen, it could lead to a theory of quantum gravity, which would combine Einstein’s general relativity with quantum mechanics. It would also imply that our universe is in truth a hologram.  マルダセナの双対性のアイデアが提唱されてから25年間,物理学者はその威力を駆使してブラックホールが情報を破壊するかどうかという問題に取り組み,インフレーション期と呼ばれる宇宙の最初期に関する理解を深め,時空が基本的なものではなく,低次元の系における量子もつれから生じるものなのかもしれないという驚くべき結論に達した。これらの進展はすべて,理論的に考えうる時空である反ド・ジッター空間におけるものであり,我々の宇宙を記述するド・ジッター空間に関するものではない。しかし,物理学者はいつの日かどちらの空間にも成り立つ双対性にたどり着くことができると楽観的だ。そうなれば,アインシュタインの一般相対性理論と量子力学を統合する量子重力理論にもつながるだろう。また,我々の宇宙がホログラムであるということになる。