■ブラックホール情報パラドックスについて

ブラックホール情報パラドックスは、量子場の理論と一般相対性理論の整合性に関する根本的な問題だ。以下、より厳密な数学的定式化を示す。

1. 量子力学のユニタリ性

量子力学では、系の時間発展はユニタリ演算子 U(t) によって記述される：

|ψ(t)⟩ = U(t)|ψ(0)⟩

ここで、U(t) は以下の性質を満たす：

U†(t)U(t) = U(t)U†(t) = I

これは、情報が保存されることを意味し、純粋状態から混合状態への遷移を禁じる。

2. ブラックホールの形成と蒸発

ブラックホールの形成過程は、一般相対性理論の枠組みで記述される。シュワルツシルト解を考えると、事象の地平面の半径 rₛ は：

rₛ = 2GM/c²

ここで、G は重力定数、M はブラックホールの質量、c は光速。

ホーキング放射による蒸発過程は、曲がった時空上の量子場の理論を用いて記述される。ホーキング温度 T_H は：

T_H = ℏc³/(8πGMk_B)

ここで、ℏ はプランク定数、k_B はボルツマン定数。

3. 情報の喪失問題

ブラックホールが完全に蒸発した後、初期の純粋状態 |ψᵢ⟩ が混合状態 ρ_f に遷移したように見える：

|ψᵢ⟩⟨ψᵢ| → ρ_f

これは量子力学のユニタリ性と矛盾する。

超弦理論からの解決アプローチ

ホログラフィー原理

ホログラフィー原理は、(d+1) 次元の重力理論が d 次元の場の理論と等価であることを示唆する。ブラックホールのエントロピー S は：

S = A/(4Gℏ)

ここで、A は事象の地平面の面積。これは、情報が事象の地平面上に符号化されていることを示唆する。

AdS/CFT対応

AdS/CFT対応は、d+1 次元の反ド・ジッター空間 (AdS) における重力理論と、その境界上の d 次元共形場理論 (CFT) の間の等価性を示す。AdS 空間の計量は：

ds² = (L²/z²)(-dt² + d𝐱² + dz²)

ここで、L は AdS 空間の曲率半径、z は動径座標。

CFT の相関関数は、AdS 空間内のフェインマン図に対応する。例えば、2点相関関数は：

⟨𝒪(x)𝒪(y)⟩_CFT ∼ exp(-mL)

ここで、m は AdS 空間内の粒子の質量、L は測地線の長さ。

量子エンタングルメントと ER=EPR 仮説

量子エンタングルメントは、ブラックホール情報パラドックスの解決に重要な役割を果たす可能性がある。2粒子系のエンタングルした状態は：

|ψ⟩ = (1/√2)(|0⟩_A|1⟩_B - |1⟩_A|0⟩_B)

ER=EPR 仮説は、量子エンタングルメント（EPR）とアインシュタイン・ローゼン橋（ER）の等価性を示唆する。これにより、ブラックホール内部の情報が外部と量子的に結合している可能性が示される。

結論

超弦理論は、ブラックホール情報パラドックスに対する完全な解決策を提供するには至っていないが、問題に取り組むための数学的に厳密なフレームワークを提供している。

ホログラフィー原理、AdS/CFT対応、量子エンタングルメントなどの概念は、このパラドックスの解決に向けた重要な手がかりとなっている。

今後の研究では、量子重力の完全な理論を構築することが必要。特に、非摂動的な超弦理論の定式化や、時空の創発メカニズムの解明が重要な課題となるだろう。

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