天体物理学のブラック ホールがあり、数学的なブラック ホールもあります。天体物理学のブラック ホールは、銀河の中心に位置し、高温のプラズマ ジェットを放出し、場合によっては星を飲み込みます。あなたはそれらについて聞いたことがあります。一方、数学的なブラック ホールは、物理学者の思考実験の焦点となっています。それらは崩壊した星から形成されたのではなく、永遠に存在し、空の宇宙に座っています。それらは無限に大きく、周囲に完璧な鏡があり、6 次元の空間に広がっている場合があります。あなたも聞いたことがあるかもしれませんが、気づいていないかもしれません。
ブラック ホールの話は、1916 年にカール シュヴァルツシルトが光を閉じ込めることができるアインシュタインの一般相対性理論の解を発見したときに始まりました。シュバルツシルトのブラック ホール (およびその後に発見されたすべてのブラック ホール) の特徴的な特性は、「事象の地平線」の存在です。これは、そこから何も逃げることができない領域の表面です。事象の地平線を越えると、永遠に閉じ込められてしまいます。
当初、物理学者はシュヴァルツシルトの発見を理論的な好奇心、自然界では起こらない純粋に数学的な可能性と考えていました。しかし、1935 年に Subrahmanyan Chandrasekhar は、大きな星が核燃料を使い果たすと、その圧力が重力を打ち消すには不十分であることを示しました。この場合、星がブラック ホールに崩壊するのを防ぐことはできません。 Chandrasekhar によって、ブラック ホールは科学的な可能性になりました。
それでも、物理学者はブラックホールをほとんど無視しており、ブラックホールを作るには慎重に調整されたセットアップが必要であり、現実的な状況では止められない重力崩壊にはつながらないと信じていました。しかし、正反対のことが判明しました。 1960 年代、スティーブン ホーキング博士とロジャー ペンローズ博士は、非常に一般的な状況下で恒星の崩壊時にブラック ホールが生成されることを証明しました。彼らの計算によると、燃え尽きた大質量の星がブラック ホールを形成することは、例外ではなく標準です。
実際、1990 年代半ばに、天の川銀河の中心からの観測により、ブラック ホール以外に説明がつかない天体 (射手座 A) が明らかになりました。そして過去 20 年間で、ブラック ホールの証拠は圧倒的なものになりました。天体物理学者は、私たち自身の銀河だけでなく、ほとんどの銀河がそれらを抱えていることを発見しました.ブラック ホールは、ガスや星を食べ、重力レンズとして機能することがわかっています。彼らの存在はもはや物議を醸すものではありません.
その間、ブラックホールは第二の人生を開発しました。 1972 年、ヤコブ ベケンシュタインは、ブラック ホールの表面積がエントロピーに対応することを発見しました。エントロピーは通常、ガスに関連する量です。 1974 年に、スティーブン ホーキングがブラック ホールには温度があり、蒸発することを導き出したとき、熱力学と重力の間のこの驚くべき関係は強化されました。
ブラック ホールが蒸発するというホーキング博士の発見は、理論物理学者たちの頭を悩ませました。それは、ブラック ホールが放出する放射線には情報が含まれていないためです。そのため、ブラック ホールが崩壊して完全に蒸発すると、そこに含まれていた情報が破壊されたように見えます。ただし、これは情報を保存する必要がある量子論とは相容れないものです。
この「ブラック ホール情報の問題」は、今のところ純粋に数学的な難問です。なぜなら、天体物理学のブラック ホールの温度は小さすぎて観測できないからです。本物のブラックホールは、数千億年後まで蒸発しません。しかし、理論物理学者は、情報の問題を解決することは、空間と時間の量子特性を理解するのに役立ち、したがって「量子重力」の理論を見つけることができると考えています。ブラック ホール情報の問題を解決することは、量子重力理論が合格しなければならないベンチマークの 1 つです。
実験室でブラックホールを研究することはできないため、理論家は思考実験を使用して、地平線を横切る粒子の運命を理解してきました。これらの思考実験は非常に抽象的です。オブザーバーには質量がありません。検出器はキャリブレーションを必要としません。ブラックホールの周りにはガスが渦巻いていません。このような理想化された状況で、理論家は、ブラック ホールに落ちた単一量子の情報に何が起こるかを計算しようとしました。このことから、彼らはブラック ホールが巧みな情報ジャグラーであり、他のどの既知のシステムよりも効率的にビットを分散およびスクランブルできることを学びました。
数学は豊かで、驚くべき洞察をもたらしました。たとえば、アインシュタインの一般相対性理論は、空間の任意の数の次元で使用できます。そして理論家たちは、次元数が高いほど、より多くの種類のブラックホールが存在することを発見しました. 3 次元空間では、球形のブラック ホールしかありません。ただし、4 次元以上の空間では、リング状のブラック ホールが存在する可能性があります。また、黒い棒、またはいくつかのリングや球体の周りのリングなど、複数の切断された地平線を持つこともできます — 「黒い土星」.
さらにひも理論家は、負の宇宙定数を持つ宇宙 (いわゆる反ド シッター空間) のブラック ホールを研究することを好みます。私たちの実際の宇宙は、正の宇宙定数を持っています。しかし、宇宙定数が負の場合、ブラック ホールの地平線は無限に広がる平面になる可能性があります。より高い次元と負の宇宙定数に加えて、理論家は永遠に存在していたブラック ホールも好み、同量の物質が落下すると仮定することで、放射による質量損失のバランスをとっています。
これらは非常に抽象的な状況であり、実際の宇宙では決して観察することはありません。しかし、理論物理学者は、宇宙定数が負の空間にある数学的ブラック ホールを調べることは、天体物理学以外の分野でも役立つ可能性があると考えています。 1997 年に Juan Maldacena によって提唱された予想の結果として、そのような空間のブラック ホールの数学は、強く相互作用する粒子の集まりを記述する可能性があります。
数学的ブラック ホールについては、次のように聞いたことがあるかもしれません。これは、クォーク グルーオン プラズマまたは「ストレンジ」金属 (「ストレンジ」と呼ばれる、一般的な数学的処理では理解するのが難しいため、「ストレンジ」と呼ばれる) の動作をモデル化するひも理論家の方法です。 ）。最近の開発では、数学的なブラック ホールを使用して、特定の量子系におけるカオスと複雑さを研究しています。これらの計算が有用な予測につながるかどうかは、まだわかりません。しかし、彼らは間違いなく数学ツールキットに新しいツールを追加しており、いつかハンマー用の釘が見つかるかもしれません.
数学的ブラック ホールにより、理論物理学者は、熱力学、重力、量子情報、凝縮物質物理学など、かつてはほとんど切り離されていると考えられていた専門分野間のリンクを見つけることができました。これらの洞察は、量子重力の理論を開発するのに役立つか、特定の流体の挙動を予測する新しい方法を生み出すのに役立つ可能性があります。しかし、この研究は、ブラック ホールの天体物理学の研究 (その形成、分布、ジェット、およびそれらがどのように合体するかについての質問) とはほとんど切り離されています。言い換えれば、観察をどのように説明するかという問題です。
