私たちは巨大な「宇宙ホログラム」の中で生きているのでしょうか？

SF映画では、空中から投影された仮想物体がよく見られますが、この未来的な技術は長い間、私たちの日常生活でひっそりと利用されてきました。クレジットカードの偽造防止パターン、コンサートで「再現」された故人スターの仮想パフォーマンス、ショッピングモールのディスプレイに表示される3次元の製品モデルなど、すべてホログラフィック技術に依存しています。

1947年、ハンガリーの物理学者デニス・ガーバーは電子顕微鏡の解像度を向上させるために知恵を絞っていました。彼は、従来の顕微鏡よりも鮮明に物体の微細な細部を捉える方法を見つけたいと考えていました。実験中、ガボールは偶然、干渉現象を通じて光波の位相情報を捉え、回折現象を通じて読み取ることで三次元画像を再現するという、画像を記録する新しい方法を発見しました。この偶然の発見が「ホログラフィー」です。簡単に言えば、従来の写真撮影では光の強度、つまり明暗の情報のみが記録されますが、ホログラムでは光の位相情報も記録されます。位相は光波の「形状」または「位置」として理解できます。これにより、ホログラムは物体の明るさだけでなく、その空間の深さや構造も再現できるようになります。複雑な情報を記録できるからこそ、光の波の 3 次元スナップショットを撮るのと同じように、2 次元の表面を通してリアルな 3 次元効果を表現することができるのです。

ホログラムを作成するプロセスは干渉現象に依存します。 2つの静かな水面に突然石が投げ込まれたと想像できます。このとき 2 つの波が発生し、これら 2 つの波が出会うと一連の現象が発生します。この現象は「干渉」と呼ばれます。記録された干渉パターンには、位相などの重要な光場情報が含まれています。ホログラフィーでは、レーザー光線が 2 つの光線に分割され、1 つはホログラフィック プレートに直接照射され、もう 1 つは物体に照射されてホログラフィック プレートで反射されます。この 2 つの光線の相互作用によって干渉パターンが生成されます。これらの干渉縞は、物体の表面上のあらゆる点における光波情報を記録します。このようにして、ホログラムは物体の 3 次元情報をキャプチャして「保存」することができます。ホログラムを観察するには、適切な光源で照らすだけで、元の光波の位相と振幅の情報が「デコード」され、物体の 3 次元画像を再構築できます。

ホログラム製造原理の模式図

ホログラムの出現により、2 次元表面上の 3 次元オブジェクトを理解する新しい方法が得られました。また、これは宇宙の性質、つまりホログラフィック宇宙を理解するための道筋について、革命的な視点を私たちに提供します。ホログラフィック宇宙理論は、私たちが住んでいる三次元宇宙は、おそらく二次元情報の投影にすぎないという驚くべき仮説を提唱しています。私たちが知覚できる物質、エネルギー、空間など、宇宙全体の物理的な情報は、何らかの高次元の表面情報から発生している可能性があります。

ホログラフィック宇宙の理論は突然現れたわけではなく、ブラックホールに関する何十年にもわたる物理学の研究に基づいています。ブラックホールは宇宙で最も神秘的で極端な物体の一つです。これらは、巨大な恒星がその寿命の終わりに重力崩壊することによって形成されます。ブラックホールの強力な重力場により、光さえもそこから脱出することができず、ブラックホール内で何が起こっているのかを直接観察することはできません。 1970年代、物理学者たちはブラックホールの研究の中で不可解な現象を発見した。私たちが通常理解しているように、物体のサイズや内部の複雑さは、通常、その体積に関連しています。たとえば、ボックスが大きいほど、保存できる情報量が多くなります。しかし、ブラックホールのエントロピーは、その体積ではなく境界表面積に比例します。

エントロピ

エントロピーは熱力学の中心的な概念であり、19 世紀のドイツの物理学者ルドルフ・クラウジウスによって初めて提唱されました。エントロピーは本質的にはシステム内の無秩序度の尺度であり、システムに含まれる「情報量」または「可能性」を反映します。システムのエントロピーが高くなるほど、システムの無秩序性は高まり、含まれる情報も増えます。

さらなる科学的研究により、有名な物理学者スティーブン・ホーキングは 1974 年にブラックホールが熱放射 (つまり「ホーキング放射」) を放射することを発見し、ブラックホールが永久に閉じたシステムではないことを示しました。それらは実際には放射線によって徐々に「蒸発」しており、この放射線自体もブラックホール境界の情報によって決定されます。ブラックホールのこの奇妙な特性は、ホログラフィック宇宙の理論にインスピレーションを与えます。ブラックホール内のすべての情報はその表面に「保存」できるため、宇宙全体の情報も何らかの方法で「表面」に保存できるのでしょうか?これはホログラフィック宇宙理論の中心的な考え方の 1 つです。つまり、私たちが住んでいる 3 次元の宇宙は、単に 2 次元の表面情報の投影である可能性があるということです。

ブラックホールのこの情報保存方法を宇宙全体に拡張できれば、物質、エネルギー、空間自体を含む宇宙のすべての物理現象は、ある高次元の2次元表面情報の現れであることを意味するかもしれません。このアイデアは、3次元空間に対する私たちの直感的な理解を打ち破り、空間と情報のまったく新しい概念を提案します。これにより、ホログラフィック宇宙の理論の予備的な科学的根拠が提供され、ホログラフィック原理が誕生しました。

ホログラフィック宇宙理論の発展は、私たちの世界に対する理解を変えるだけでなく、より根本的な物理学の問題、つまり量子力学と一般相対性理論という 2 つの主要な物理理論をどのように組み合わせて自己矛盾のない理論的枠組みを確立するかという問題を解決しようともしています。この問題を説明する前に、まずこれら 2 つの主要な物理理論の核となる考え方を簡単に理解しましょう。

一般相対性理論

これは 1915 年にアルバート アインシュタインによって理論化され、重力に関する私たちの理解に革命をもたらしました。伝統的に、人々は重力を物体間の力として考えますが、アインシュタインの理論によれば、重力は実際には空間と時間の曲率です。物質は周囲の時空を変形させるため、私たちは重力を感じるのです。たとえば、地球が太陽の周りを回っているのは、太陽が地球を「引っ張っている」からではなく、太陽の巨大な質量によって周囲の空間が「曲がり」、地球がこの曲がった軌道に沿って動いているからです。

量子力学

量子力学は、20 世紀初頭に開発された一連の理論であり、微視的世界に対する私たちの理解に革命をもたらしました。伝統的な物理学では、物体の位置と動きは正確に記述できると考えられていますが、量子力学では、微視的スケールでの物体の挙動はもはや古典的な決定論的な法則に従わず、確率的であることを示しています。

すると、次のような疑問が浮かび上がります。物質がブラックホールに入ると、その物質の元々の情報はどこに行くのでしょうか?ブラックホールの最終的な運命についての疑問が生じます。ホーキング放射によれば、ブラックホールは永久に存在するわけではない。最終的には量子効果によってゆっくりと蒸発し、ブラックホールが完全に消滅するまで放射線を放出します。しかし、ホーキング放射は熱放射であり、ブラックホール内の物質に関する具体的な情報は運ばないので、ブラックホールが完全に蒸発すると、ブラックホールに入ったものに関するすべての情報が存在しなくなることを意味します。これは量子力学の「情報保存」原理と矛盾します。ブラックホールの蒸発が終わったときに元の情報の痕跡が残っていない場合、情報は完全に失われ、量子力学に違反します。

したがって、ブラックホールの情報パラドックスは次のようになります。

一般相対性理論では、情報は事象の地平線の背後に隠される可能性がある。ブラックホールがホーキング放射によって最終的に完全に蒸発すると、ブラックホールにもともと入っていた物質とその情報はすべて、ブラックホールの消失とともに失われると思われます。この状況は、情報の保存を必要としないため、一般相対性理論の枠組み内では合理的です。

量子力学の基本原理の一つは情報の保存です。あらゆる物理システムの進化は可逆的であるはずであり、システムが進化したとしても、その元の情報は何らかの形で保持され続ける可能性があります。情報は突然消えることはありません。したがって、ブラックホールが蒸発すると、すべての物質情報が消えてしまうように見えますが、これは量子力学の基本原理と矛盾します。

ホログラフィック原理によれば、情報は実際には消えるのではなく、ブラックホールの事象の地平線上にエンコードされます。ブラックホールがホーキング放射によって蒸発するとき、もともと「飲み込まれた」物質と情報はブラックホールとともに消えるのではなく、この 2 次元表面上に何らかの形で保存され、量子力学の何らかのメカニズムによって解読される可能性があります。これにより、ブラックホールの蒸発中に量子力学の情報保存原理と一般相対性理論の間の矛盾が解決されます。

物理学の急速な発展に伴い、ホログラフィック宇宙の研究は私たちにますます多くの驚きをもたらしてきました。 「我々はどこから来て、どこへ行くのか」という古代の哲学的な問いは、いつか答えが出るかもしれない。おそらく、私たちがこれを読んでいる携帯電話であれ、私たちの足元の地球であれ、はるか遠くの銀河であれ、三次元空間に存在するすべてのものは、実際には何らかの形で二次元平面上に表現できるのです。まるで私たちは巨大な「宇宙のホログラフィック投影」の中に生きているかのようで、実際の情報は目に見えない高次元空間に存在しているようです。

企画・制作

著者: 蔡文冲、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所大学院生

レビュアー: 北京天文館研究員 劉曦