ワームホールは、空間や時間を貫くトンネル、つまり宇宙を横断する近道として想像されることが多い。しかし、このイメージは、物理学者Albert EinsteinとNathan Rosenによる研究の誤解に基づいている。
1935年、極端な重力領域における粒子の振る舞いを研究していた際、EinsteinとRosenは彼らが「橋」と呼んだものを導入した。それは、完全に対称的な2つの時空のコピーを結ぶ数学的なリンクである。これは移動のための通路としてではなく、重力と量子物理学の間をつなぐ方法として意図されたものであった。Einstein-Rosenブリッジがワームホールと関連付けられるようになったのは後のことであり、当初のアイデアとはほとんど関係がなかった。
しかし、新しい研究において、私の同僚と私は、本来のEinstein-Rosenブリッジがワームホールよりもはるかに奇妙で、より根本的な何かを指し示していることを示している。
EinsteinとRosenが取り組んでいたパズルは、宇宙旅行についてではなく、曲がった時空の中で量子場がどのように振る舞うかについてであった。このように解釈すると、Einstein-Rosenブリッジは時空における鏡、つまり時間の2つの微視的な矢印の間の接続として機能する。
量子力学は粒子のような最小スケールの自然を支配し、一方でEinsteinの一般相対性理論は重力と時空に適用される。この2つを調和させることは、物理学の最も深い課題の一つであり続けている。そして刺激的なことに、我々の再解釈はこれを行うための道筋を提供するかもしれない。
誤解された遺産
「ワームホール」という解釈は、EinsteinとRosenの研究から数十年後、物理学者たちが時空の一方の側から他方の側へ渡ることについて推測した際に現れた。最も注目すべきは1980年代後半の研究においてである。
しかし、それらの分析自体も、そのアイデアがいかに推測的であるかを明らかにしていた。一般相対性理論の枠内では、そのような旅は禁じられている。橋は光が通過するよりも速く閉じてしまい、通過不可能となる。したがって、Einstein-Rosenブリッジは不安定かつ観測不可能であり、ポータル（入口）ではなく数学的構造にすぎない。
それにもかかわらず、ワームホールの隠喩はポピュラーカルチャーや推測的な理論物理学の中で花開いた。ブラックホールが宇宙の遠く離れた領域をつないでいるかもしれない、あるいはタイムマシンとして機能するかもしれないというアイデアは、数え切れないほどの論文、本、映画にインスピレーションを与えた。
しかし、巨視的なワームホールの観測的証拠はなく、Einsteinの理論の枠内でそれらを期待する説得力のある理論的理由もない。エキゾチックな物質の形態や一般相対性理論の修正といった物理学の推測的な拡張がそのような構造を支持するために提案されてきたが、それらは未検証であり、高度に推測の域を出ないままなのだ。
2つの時間の矢
我々の最近の研究は、Sravan KumarとJoão Martoによって発展させられたアイデアに基づき、時間の現代的な量子解釈を用いてEinstein-Rosenブリッジのパズルを再考している。
物理学の最も基本的な法則は、過去と未来、あるいは左と右を区別しない。方程式の中で時間や空間が反転しても、法則は有効なままである。これらの対称性を真剣に受け止めると、Einstein-Rosenブリッジの異なる解釈が導かれる。
空間を通るトンネルではなく、量子状態の2つの相補的な構成要素として理解することができる。一方では時間が前方へ流れ、もう一方では鏡映反転された位置から後方へ流れる。
この対称性は哲学的な好みではない。無限大が除外されれば、量子進化は微視的なレベルにおいて、重力の存在下であっても完全かつ可逆的でなければならない。
「橋」は、完全な物理系を記述するためには両方の時間成分が必要であるという事実を表している。通常の状況では、物理学者は単一の時間の矢を選択することで、時間反転された成分を無視する。
しかし、ブラックホールの近くや、膨張・収縮する宇宙においては、一貫した量子記述のために両方の方向を含める必要がある。Einstein-Rosenブリッジが自然に現れるのはここである。
情報パラドックスの解決
微視的なレベルでは、この橋によって、我々には事象の地平線（帰還不能点）として見えるものを越えて情報が通過することが可能になる。情報は消滅せず、進化し続けるが、それは反対の、鏡映的な時間方向に沿ってである……。この枠組みは、有名なブラックホール情報パラドックスに対する自然な解決策を提供する。1974年、Stephen Hawkingは、ブラックホールが熱を放射し、最終的には蒸発して、中に落ち込んだものに関するすべての情報を消し去るように見えることを示した。これは、進化は情報を保存しなければならないという量子原理と矛盾する。
このパラドックスは、地平線を記述するために、無限遠まで外挿された単一の一方的な時間の矢に固執する場合にのみ生じる。これは量子力学自体が要求しない仮定である。
完全な量子記述が両方の時間方向を含むならば、真に失われるものは何もない。情報は我々の時間方向を離れ、反転した方向に沿って再出現する。エキゾチックな新しい物理学に頼ることなく、完全性と因果律は保存される。
これらのアイデアを理解するのが難しいのは、我々が一つの時間方向しか経験しない巨視的な存在だからである。日常的なスケールでは、無秩序（つまりエントロピー）は増大する傾向がある。高度に秩序だった状態は自然に無秩序な状態へと進化し、その逆はない。これが我々に時間の矢を与える。
しかし、量子力学はより繊細な振る舞いを許容する。興味深いことに、この隠された構造の証拠はすでに存在しているかもしれない。ビッグバンの残光である宇宙マイクロ波背景放射は、小さくとも持続的な非対称性を示している。つまり、鏡像よりもある一つの空間的配向を優先しているのである。
この異常は20年にわたり宇宙論学者を悩ませてきた。標準的なモデルでは、鏡映的な量子成分が含まれない限り、これには極めて低い確率しか割り当てられない。
以前の宇宙の残響？
この描像は、より深い可能性へと自然につながる。我々が「ビッグバン」と呼ぶものは、絶対的な始まりではなく、宇宙進化の2つの時間反転したフェーズ間の量子的遷移、つまりバウンスであったかもしれない。
そのようなシナリオでは、ブラックホールは単に時間方向の間だけでなく、異なる宇宙論的時代（エポック）の間の橋としても機能する可能性がある。我々の宇宙は、別の親宇宙で形成されたブラックホールの内部であるかもしれない。これは、時空の閉じた領域が崩壊し、跳ね返って、今日我々が観測している宇宙として膨張を始めたものとして形成された可能性がある。
もしこの描像が正しければ、観測によって決着をつける方法も提供される。バウンス前のフェーズからの遺物、たとえばより小さなブラックホールなどは、遷移を生き延び、我々の膨張する宇宙に再出現する可能性がある。我々がダークマター（暗黒物質）と呼ぶ見えない物質の一部は、実際にはそのような遺物で構成されているかもしれない。
この見方では、ビッグバンは先行する収縮における条件から進化したものである。ワームホールは必要ない。橋は空間的ではなく時間的なものであり、ビッグバンは始まりではなくゲートウェイとなる。
このEinstein-Rosenブリッジの再解釈は、銀河を横断する近道も、タイムトラベルも、SF的なワームホールやハイパースペースも提供しない。それが提供するのは、はるかに深いものである。それは、時空が時間の反対方向間のバランスを具現化し、我々の宇宙がビッグバン以前に歴史を持っていたかもしれないという、重力の一貫した量子描像を提供する。
それはEinsteinの相対性理論や量子物理学を覆すものではなく、それらを完成させるものである。物理学における次の革命は、我々を光よりも速く連れて行くことはないかもしれない。しかしそれは、微視的な世界の奥深くやバウンスする宇宙において、時間が双方向に流れていることを明らかにするかもしれない。