ブラックホールの重要なパラドックスについてはまだわかっていない

宇宙で最も奇妙な物体の 1 つであるブラックホールについては、ほとんど何も明らかになっていません。科学者は、ブラックホールが時空に作り出す巨大な波紋を研究し、ブラックホールがどのように形成されるかを知ることで、この驚くべき物体について、かつてないほど完全な理解を得ています。しかし、ブラックホールに関する人類の理解の短い歴史は、その過程で大きな紆余曲折に揺さぶられてきました。

ブラックホールの存在はほぼ確実だが、半世紀前まで専門家たちはそれほど確信を持っていなかった。ウォータールー大学でブラックホールと量子情報を研究する物理学者ロバート・マン氏は、1970年代に大学院生だった頃は「教授たちは本当に疑っていた」と語る。

ブラックホールが存在するという最初の兆候は、アメリカ憲法よりも古い。はるか昔の1783年、イギリスの科学者ジョン・ミッシェル牧師がブラックホールを「暗黒星」と考えた。ミッシェル牧師は、もし星が重すぎてその重力から逃れるのに必要な速度が「光より速い」としたら、星はどのような姿をしているのかと疑問に思ったとマン氏は言う。

ミッシェルの疑問は良いものだった。しかし数年後の1790年代、フランスの有名な数学者ピエール＝シモン・ラプラスと他の先駆的な思想家たちが、光は波のように振る舞うため重力の影響を受けないと科学界を説得したとマン氏は言う。この新しい光の概念によって、ミッシェルの理論は無意味なものに見えた。

しかし、この考えは、アルバート・アインシュタインが一般相対性理論を提唱した1915年以降に復活した。この理論によれば、質量を持つ物体はどれも、その重さに比例して時空を曲げ、一定量の物質が非常に高密度になり、特異点と呼ばれる無限に高密度の点、つまりブラックホールの中心に崩壊する。

アインシュタインはブラックホールを予言したとよく言われるが、これは正確ではないと、カリフォルニア工科大学の天体物理学者で、X線を使ってブラックホールの基本的な性質を研究しているハビエル・ガルシア氏は言う。「アインシュタインはブラックホールの存在に必要な理論を展開したが、ブラックホールそのものを予言したわけではない」とガルシア氏は言う。

1915 年、アインシュタインは一般相対性理論を用いて、太陽の周りを回る水星の運動を説明しました。この理論やアインシュタインの理論の他の応用例の成功により、科学者たちは理論のより深い意味を探求するようになりました。

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1 年も経たないうちに、マン氏の言葉を借りれば「徴兵によりドイツ軍の中尉となったが、職業は理論天文学者」だったカール・シュヴァルツシルトがアインシュタインの理論について耳にした。彼はアインシュタインの方程式の解を初めて導き出した人物であり、特異点が形成される可能性があること、そして特異点に近づきすぎると、どんなものも特異点の引力から逃れられるほど速く動くことはできないことを示した。

その後、1939年に物理学者のロバート・オッペンハイマー（マンハッタン計画で有名、あるいは悪名高い）とハートランド・スナイダーは、恒星がシュワルツシルトの不可能と思われる物体を生成できるかどうかを調べようとした。彼らは、十分に大きな塵の球体があれば、重力によって塊が崩壊し、特異点が形成されると推論し、それを計算で示した。しかし、第二次世界大戦が勃発すると、この分野の進歩は1950年代後半まで停滞し、人々は再びアインシュタインの理論を検証しようとし始めた。

物理学者のジョン・ウィーラーは、ブラックホールの意味について考えていたとき、大学院生のジェイコブ・ベッケンシュタインに、1950年代後半に科学者を困惑させた質問をした。マンはそれを次のように言い換えた。「ブラックホールに熱いお茶を注ぐと何が起こるのか？」

答えは、もちろんブラックホールがそれを飲み込む、ということです。しかし、熱いお茶はパラドックスを引き起こします。ある程度の温度を持つものはすべて熱を放出します。そして、熱いものと冷たいものを混ぜると交換が起こります。たとえば、熱いお風呂に氷を入れると、氷は温まり、お風呂は冷めます。

ブラックホールがすべてを飲み込んで何も放出しないということは、熱を放出しないということであり、温度はゼロでなければならない。熱い物質を吸い込んでそれ以上温まらないブラックホールは「熱力学に関する私たちの知識のすべてと矛盾する」とマン氏は言う。

1960 年代までに、これらの天体は「ブラック ホール」というキャッチーな名前で呼ばれるようになりました。この用語は 2 つの特徴を説明しました。ブラック ホールは穴であるため、物体はそこに落ちても決して逃げることはできません。また、観察者には完全に暗く見えるということです。

ウィーラーの弟子であるベッケンシュタインは、スティーブン・ホーキングと共同研究を行い、ブラックホールが実際にエネルギーを放出していることを発見した。空間の量子ゆらぎによって引き起こされるこの放射は、ほんのわずかなエネルギーしか放出しない。しかし、彼らの研究により、ブラックホールは熱を持っていることが証明され、15年前にウィーラーが抱いていた疑問に決定的な答えが出た。

マン氏によると、ブラックホールに量子物理学を導入したことで、一つのパラドックスは解決されたが、別のパラドックスも生まれたという。量子力学では、情報は破壊されないことが求められる。そして現在、科学者たちは、ブラックホールから放出されるわずかな放射線から、ブラックホールに入った物質について何かを知る方法を持っていない。つまり、その情報は失われているのだ。

「この問題をどう解決するかについてはまだ合意が得られていない」とマン氏は言うが、一部の研究者は解決に近づいていると考えている。

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ホーキングは、ブラックホールが最初から抱えていたもう一つの謎を解くのに貢献した。20世紀初頭にシュワルツシルトが導き出したブラックホールの解決法は、光の脱出を防ぐだけではなかった。ブラックホールの中心にある時空の穴、つまり特異点も含んでいた。しかし当時、科学者たちはこれがブラックホールの一般的な性質なのか、それともシュワルツシルト、そして後にオッペンハイマーとスナイダーが計算しようとした特定のシステムの奇癖なのか確信が持てなかった。

ホーキング博士とロジャー・ペンローズ博士は、特異点を作り出すシュワルツシルト博士の解法は、あり得ないほど丸い星に限ったものではなく、十分に大きな質量を持つ星であればどこでも特異点を作り出すことができるということを示した。

数十年にわたって、ブラックホールの可能性があるX線観測が積み重ねられてきたが、2016年に発表されたLIGOによる最初の検出まで、天文学者はブラックホールが存在するという直接的な証拠を得ることはできなかった。それだけでなく、ブラックホール同士が衝突してより大きなブラックホールを形成し、重力波を放射するとマン氏は言う。

科学者たちは、情報パラドックスや特異点をどう解釈すべきかまだわかっていない。「しかし、私たちはこれらの物体を観測しています。また、その1つの写真も撮影しました」とマン氏は、2019年にイベント・ホライズン・テレスコープが撮影したブラックホールの周囲の光る物質の最初の画像に言及しながら語った。

新しい望遠鏡は、宇宙で最も暗い物体に光を当て続けています。そして、大規模なアップグレードの準備が整えば、イベント・ホライズン・テレスコープのチームはブラックホールの最初のビデオを撮影したいと考えています。