宇宙への旅人

ついに突破か？局地的なワームホールを作り出す新たな方法が考案される



ワームホールの道を開く量子コンピューター技術
　
イギリスの研究チームによって、実験室に「局地的なワームホール」を作り出す方法が考案された。それは空間を橋渡しし、この宇宙の深奥を探る方法でもあるという。

　その「カウンターポーテーション」という方法なら、粒子を移動させることなく、小さな物体を移動させたうえで再構成することができるのだという。

　『Quantum Science and Technology』（2023年3月2日付）に掲載されたこの研究は、ただのこの宇宙の真の性質を探る理論的・実践的なフレームワークになるそうだ。

局地的ワームホールを作るカウンターテレポーテーション
　今あなたがこの文章を読めるのは、移動することで情報を伝えてくれる検出可能な”運び屋”のおかげだ。

　情報の運び屋とは、たとえば光ファイバーや空気中を移動する光子や、あなたの頭の中を飛び交う無数の神経シグナルのこと。

　また量子の不思議な性質を利用した「量子テレポーテーション」もそうだ。この方法では、小さな物体に関する完全な情報を転送し、別の場所で再構成できるようにする。

　ところが、「カウンターポーテーション」はそこが根本的に違うのだ。

　テレポーテーションという言葉からイメージされる通りのことが起こる。つまり情報の運び屋は、わざわざ空間を移動しない。

　その働きは、SF映画によく登場する「ワームホール」のようなものだ。　映画のワームホールは宇宙をワープして一瞬ではるか彼方まで移動するために使われる。


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この現象は「分離した移動」と表現することができる。つまりワームホールの外側にある私たちが認識できる空間を移動することなく、移動するということだ。

　カウンタートランスポーテーションならば、粒子が空間内を移動することなく、量子情報をある場所から別の場所へと伝えることができる。それはまさに局地的なワームホールだ。

　今回の研究では、まさにそれを実現する方法が示されているのだ。


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全く新しいタイプの交換不要な量子コンピューター

　研究著者のハティム・サリフ氏によれば、カウンターポーテーションを実現するには、まったく新しいタイプの量子コンピューターが必要であるという。

　それは通信するために「粒子を交換しない量子コンピューター」だ。

　大規模量子コンピューターは、驚異的な計算速度を実現してくれると期待されている。それとは対照的に、交換不要の量子コンピュータはたとえ最小の規模であっても、空間を根本から取り入れることで、カウンターポーテーションなどの一見不可能な作業を可能にすると考えられるという。


カウンターポーテーションを可能にする全く新しい量子コンピューター / image credit: Quantum Science and Technology (2022).

この世界の真の姿とは？
　
また今回の研究は、私たちが暮らすこの現実世界の真の姿をも示しているという。

　普段私たちが認識するのは古典物理学的な世界だが、実際には量子的な物体によって構成されている。

　今回提唱された方法ならば、完全に離れた粒子同士が相互作用することなく相関できるという、量子的な世界の本質を明らかにできるのだそうだ。

　ブリストル大学、オックスフォード大学、ヨーク大学などの英国を代表する量子の研究者たちは現在、摩訶不思議なワームホールを実験室で作る計画を進めているとのことだ。

2023年03月17日
カラパイアより

ワームホールに落ちても最後のメッセージを送信する時間は少しだけ残されている可能性


ワームホールを通過する宇宙船
　
もし宇宙のワームホールにうっかり落ちてしまったらもう2度と戻っては来られない。ワームホールは背後ですみやかに閉まってしまうことだろう。

　それでもワームホールの内側から外へ、最後のメッセージを送信する時間が少し残されている可能性があるという。

　これが本当なら、この不可思議なトンネルの内部をカメラで撮影して観察するなんてことも、理論上は可能ということになる。

不安定なワームホールの内側を知ることは可能なのか？
　
あくまで仮説上の構造でしかない「ワームホール」だが、本当に存在するのなら、宇宙のはるか遠方への近道や、まったく別の宇宙へのアクセスポイントとして利用できるかもしれない。

　だが一方で、ワームホールは極めて不安定で、物質が進入するやいなや、ただちに崩壊して閉じてしまうだろうとも考えられている。

　ならばワームホールの内側を知ることなど、人類には不可能なのでは？

　そうとは限らない。なぜなら、1つわからないことがあるからだ。それは「その崩壊がどれほど速いのか？」ということだ。

　『Physical Review D』（2022年11月29日付）に掲載された論文では、この問題に答えるべく、ワームホールを何かが通過したとき、それがどのように反応するのかシミュレーションされている。


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ワームホールを通過した探査機がメッセージを送信することは可能
　
例えば、ある探査機をワームホールに進入させてみる。その瞬間にワームホールの崩壊が始まるので、探査機は諦めるよりない。

　では、ワームホールが完全に閉じる前に、内側から光のシグナルを送り返すことはできるだろうか？

　あくまでも仮説上のシミュレーションだが、その答えは「イエス」だ。

　じつは今回のシミュレーションでは、「ゴーストマター」と呼ばれる不可思議な物質が考慮されている。

　ゴーストマターは重力に対して、普通の物質とはまったく逆の反応をする。つまり、ゴーストマターでできたリンゴがあれば、木の枝から”上”に落ちる。

　ただし一般相対性理論的にはOKでも、現実にはほぼ間違いなく存在しないだろうとされている。

　今回のシミュレーションでは、それでもゴーストマターをワームホールに通してみた。すると予想通り、ワームホールは崩壊することなく、むしろ広がることがわかった。

　普通の物質ならこうはいかない。進入した途端、ワームホールの崩壊スイッチが入り、後にはブラックホールのようなものが残るだろうことが、シミュレーションで確認されている。

　だが何もできないほどの電光石火で閉じてしまうわけではない。高速で移動する探査機ならば、ワームホールが完全に閉じる前に、中から光速のシグナルを送り返すだけの時間はある。

　そんな危険なことを生身の人間に行わせるわけにはいかない。

　だが宇宙のどこかで本物のワームホールが発見されたとき、そこにカメラを搭載した探査機を放り込み、内側の様子を観察するなんてことも、少なくとも理論上はできるということになる。


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いずれワームホールの内部を知ることができるのか？
　
ワームホールの内側を見られるなんてワクワクするような話だが、このアイデアに懐疑的な意見もある。

　ミュンヘン数理哲学センターの物理学者ザビーネ・ホッセンフェルダー氏は、シミュレーションについて「我々が知る限り、存在しないだろうものの存在を前提としています。数学的に可能だったとしても、その多くは現実と無関係なのです」と話す。

　それでも論文著者のベン・カイン氏（ホーリー・クロス大学）によれば、ゴーストマターなしでワームホールを安定させる方法を探るうえで有意義な研究なのだそうだ

2023年01月08日
カラパイアより

ワームホールはすでに発見されている可能性があると物理学者



ワームホールは既に発見されている可能性

　ワームホールとは、違う宇宙、あるいは一つの宇宙の別の事象を結ぶ時空の抜け道のことだ。それはすでに発見されているかもしれないという。

　ブルガリアの物理学者チームによれば、この仮説上の時空トンネルは、ありふれたブラックホールとほとんど見た目が変わらないのだそうだ。

　つまり、これまでに発見されたブラックホールとされるものの中に、ワームホールがあるかもしれないというのだ。

　両者を区別することは難しい。しかし幸運に恵まれれば、まったく不可能なわけではないという。

時空のトンネルのような抜け道「ワームホール」
　
ワームホールとは、時空のある場所を別の場所へと結びつける時空のトンネルだ。現時点では仮説上の構造だが、そこを通り抜けてワープするなど、SFなどではお馴染みだろう。

　アインシュタインの一般相対性理論に基づくならば、時空は光すら脱出できない深い重力の穴だけでなく、絶対に登ることができない険しい山を形成することもあると考えられる。

　なんでも飲み込む穴（ブラックホール）とは違い、時空の峻嶺（ホワイトホール）は近づくものを拒み、粒子や放射線を吐き出す。

　1930年代、アインシュタインの同僚であったネイサン・ローゼンは、ブラックホールによって大きく湾曲した時空が、険しい時空の山とつながっていわば”橋"を形成する可能性を示した。

　この「アインシュタイン-ローゼン橋」と呼ばれる時空の構造が、ワームホールである。


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ワームホールはどんな姿をしているのか？

　ワームホールは、あくまで仮説上のもので、今のところ見つかってはいない。

　そこでブルガリア、ソフィア大学の研究チームは、「”肛門”のあるブラックホール」がどのように見えるか知るために、ワームホールの”喉”を「磁化した流体の輪」として表したモデルを考案した。

　それによると、その荒れ狂う大渦に飲み込まれそうになった粒子は、強力な電磁場を発生させるだろうことがわかったという。

　電磁場は予測可能なパターンで揺れ動き、加熱された物質から放たれる光をはっきりそうとわかる形で偏光させる。

　ちなみに、2019年や今年初めにはブラックホールの驚くべき姿（「M87*」と「いて座A*」）が公開されたが、じつはこれは偏光した電波によって撮影されたものだ。

　つまり、典型的なワームホールの熱々の”唇”は、ブラックホールを取り巻く混沌とした円盤から放たれる偏光と見分けがつかないだろうということだ。

　その理屈でいくと、M87*やいて座A*がワームホールであってもおかしくはないということになる。それどころか、どんなブラックホールでもその奥にはワームホールが隠されている可能性すらある。


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ワームホールを見分ける方法
　
宇宙の大穴がただのブラックホールなのか、それともワームホールなのか？ それを見分けることは簡単ではないが、今回の研究チームによれば、まったく不可能なわけでもないという。

　もしもしっかりとした「重力レンズ」で間接的にワームホール候補の姿をとらえ、その画像をつなぎ合わせることができれば、ワームホールとブラックホールの微妙な違いを見つけられるかもしれない。

　ただし、そのためには、ワームホールと地球との間に、光を歪めて小さな違いを拡大してくれる都合のいい質量がなくてはならない。

　別の手段もある。もしもワームホールを絶妙な角度で観察することができれば、入口を横断して地球に向かってくる光のサインが強調され、”向こう側”への入口の存在をはっきり確認できるかもしれない。

　またワームホール・モデルをもっと洗練させれば、ワームホールならではの光の特徴が判明し、重力レンズや絶妙な角度に頼らずともそれを発見できるようになる可能性もあるという。


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新しい宇宙の視点
　
こうしたワームホールの物理学は、一般相対性理論や波・粒子の理論などに新しい道を切り開くヒントになるかもしれないそうだ。

　ワームホール研究から得られる知見は、一般相対性理論の破れを明らかにしてくれる。そうして開けられた理論の”穴”を覗き見れば、宇宙をまったく新しい視点から観察できるようになるかもしれない。

　この研究は、『Physical Review D』（2022年11月10日付）に掲載された。

2022年11月18日
カラパイアより

時空のトンネル「ワームホール」は、従来の想定より安定しているかもしれない



ワームホールは想定よりも安定している

　従来の理論によれば、時空の近道と期待される「ワームホール」は、とても不安定ですぐに崩壊してしまうとされていた。

　ところが最新の論文よれば、少なくともそうした想定よりは安定している可能性があるようだ。

　ワームホールを記述するには「一般相対性理論」が用いられるが、その基準がわずかに変わるだけで、全体像ががらりと変わってしまうのだそうだ。

一般相対性理論の座標は自由度が高い
　
アインシュタインが導き出した、時間・空間に関する「一般相対性理論」は、自動的な計算機のようなものだ。

　粒子の質量やら配列やらを入力してやれば、重力の下である座標から別の座標へとどう移動するのか、勝手に弾き出してくれる。

　この計算機の計算ルールは決まっている。ところが、座標に関してはかなり自由度が高く、数学的に色々な記述をすることができる。これを「計量（メトリック）」という。

　たとえば、あなたはどこかの目的地を目指しているとしよう。そこへの道順を表す方法は1つではない。

　通りの名前や交差点の数を利用してもいいだろう。緯度と経度で記すことだってできるし、何か目印になるような建物だって便利だ。

　最終的に目指す目的地にたどり着くなら何でもいい。

　それと同じように、物理学では同じ状況を記すために、さまざまな計量を使うことができる。その時々に応じて、便利なものを使い分ければいい。


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ワームホールにもいくつかの計量が考えられる
　
ブラックホールやワームホールを記述するにも、いくつか計量が考えられる。

　もっとも一般的なのは、「シュワルツシルト計量」だ。最初にブラックホールが発見されたときも、これが利用された。

　だが、シュワルツシルト計量には少々厄介な点がある。光がブラックホールから脱出できなくなる距離（事象の地平面）で誤動作を起こすのだ。

　計量が完全に壊れてしまい、時空における異なる地点を区別できなくなってしまう。

　だが「エディントン・フィンケルシュタイン座標」を使用すれば、事象の地平面に到達した粒子の振る舞いを記述できる。それによれば、粒子はそのまま通過してブラックホールに落ち、二度と現れない。


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ワームホールを作る一番シンプルな方法
　
ところで、時空のトンネルであるワームホールを作る一番シンプルな方法は、ブラックホールを利用することだ。

　ブラックホールは、一度入ればどんなものでも絶対に外に出られない。その一方、この宇宙には、どんなものでも絶対に中に入れない「ホワイトホール」が存在する可能性がある。

　この両極端な天体の「特異点」（密度が無限になる点）をつなぐ。すると、ブラックホールとホワイトホールの間に時空のトンネルが形成されると考えられるのだ。

　このアイデアは、アルベルト・アインシュタインとネイサン・ローゼンが最初に提唱した。ゆえにワームホールは、「アインシュタイン・ローゼン橋」とも呼ばれる。


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新たな計量によると、ワームホールの通過は可能
　
今のところワームホールは理論上の存在だが、もし本当にあったら、その中はどうなっているのだろうか？

　一般相対性理論によるならば、強力すぎる重力によって、ワームホールは輪ゴムのように引き伸ばされ、千切れてしまう。そもそもホワイトホール自体が非常に不安定で、存在しない可能性すらある。

　だから、そこを通ろうものなら、ただでは済まない。だが、この分析はシュワルツシルト計量による計算結果だ。

　そこでフランス、リヨン高等師範学校のパスカル・コイラン氏は、エディントン・フィンケルシュタイン計量でワームホールの分析を試み、その結果を『International Journal of Modern Physics D』（21年10月22日付）で発表した。

　それによると、こちらの計量では誤動作などなく、粒子の動きを楽に把握できるという。

　粒子は事象の地平面を通過し、ワームホールに進入すると、そのまま反対側から脱出する。すべて有限の時間内に起きることだ。


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ただし安定はしていない

　だからと言って、我々人間がワームホールの中を通過できるということではない。

　一般相対性理論が扱うのは、重力の振る舞いで、自然界にあるほかの力は対象外だ。熱やエネルギーを扱う熱力学によるなら、ワームホールは依然として不安定ということになる。

　また現実にブラックホールとホワイトホールを結べたとしても、そのエネルギー密度のために、何もかもバラバラになってしまう。

　宇宙のトンネルを通って、遠くの銀河までひとっ飛び。ロマンのある夢だが、そう簡単には叶わないようだ

2021年11月26日
カラパイアより

超大質量ブラックホールの正体がワームホールの入り口である可能性（ロシア研究）


超大質量ブラックホールがワームホールの入り口なのか確認する方法 / Pixabay

　光速をもってしても広大すぎる宇宙だ。人間の時間軸の中で宇宙スケールの距離を移動しようと思えば、何かもっと別の方法が必要になる。

　そこで考えられるのが、「ワームホール」を通過するという方法だ。これは時空の一点から別の一点へ直結しているとされるトンネルのような構造のことで、「アインシュタイン＝ローゼン橋」とも呼ばれる。

　もし、ここを通行することができるのなら、宇宙のはるか彼方にまで一気にワープすることが可能になる。光速を超える移動を実現できるのだ。

ワームホールを探す方法
　
ワームホールは一般相対性理論によってその存在が予測されているが、実物が観測されたことはなく、今のところ仮説上のものである。

　これに関して、「活動銀河核」がワームホールなのではないかという説が2006年に提唱されている。

　銀河の中には、中心にある1%程度のコンパクトな領域から大半のエネルギーを放出するものがある。これを「活動銀河」といい、その中心の領域が活動銀河核だ。

　活動銀河核がそれほどのエネルギーを放出している理由は、そこに「超大質量ブラックホール」があるからだとされている。

　一般的な理論モデルによれば、超大質量ブラックホールの周囲には、そこに落下しようと集まってきた物質によって「降着円盤」という円盤状の構造が作られる。この降着円盤とブラックホールとに働く潮汐力の相互作用によって、光速に近い速度でプラズマのジェットが放出される。

　今回、ロシア・プルコヴォ天文台のミハイル・ピオトロビッチ氏らが『Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』（8月24日付）で発表したのは、この超大質量ブラックホールがワームホールの入り口なのかどうか確かめる方法だ。



ワームホールから吐き出される超々高エネルギー
　
もし超大質量ブラックホールがワームホールの入り口なのだとすれば、そこは別の時空につながっており、双方から物質が落下してくるということになる。

　そのような物質がワームホール内部で衝突したとする。すると、それによって凄まじいエネルギーと放射線が放出される。

　両方の入り口から吐き出されるプラズマの温度はじつに10兆度にも達し、降着円盤から放たれる光と区別可能なスペクトルを持つガンマ線が発生する。

　ピオトロビッチ氏らによると、こうしたガンマ線は、活動銀河核の降着円盤では温度が低すぎて放出されないはずなのだという。

　さらにジェットには特定のパターンがあり、ガンマ線の大部分はそのジェットに沿って放出されていると考えられる。

　したがって、ワームホールから放出されるガンマ線特有のスペクトルを検出できれば、それがワームホールの存在を示す証拠になる。そしてNASAのフェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡のような望遠鏡ならば、これを検出できるかもしれないとのことだ。



ワームホールでワープすることは可能か？

　もしワームホールが本当にあるのだとしたら、それを通過して宇宙の別の場所へワープすることは可能なのだろうか？

　1つの難関は、もっとも近い活動銀河核ですら我々が暮らす天の川から数百万光年離れているということだ。そのため、それが本当にワームホールだったとしても、光の速さでも数百万年もかかってしまう。生身の人間の時間軸では、とてもではないが実用的ではない。

　さらに、どうにかそこまでたどり着けたとしても、10兆度という想像を絶する強烈なプラズマの爆発が生じているその内部は、そもそも人間などが立ち入って無事で済むような場所ではない可能性もある。

　こうしたことを踏まえるなら、ひとまずは望遠鏡を通じてその壮大な宇宙のスペクタクルショーを楽しむのが賢い選択と言えるかもしれない

2020年10月11日
カラパイアより