ブラックホール

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/06/08 13:40 UTC 版)

理論史

物理学の未解決問題
なぜブラックホールの中では物理的情報が喪失してしまうのか？

ブラックホールの理論的可能性については、18世紀後半に先駆的な着想があった^[11]。ピエール＝シモン・ラプラスは、アイザック・ニュートンの提唱した光の粒子説とニュートン力学から、光も万有引力の影響を受けると考え、理論を極限まで推し進めて「十分に質量と密度の大きな天体があれば、その重力は光の速度でも抜け出せないほどになるに違いない」と推測した^[11]。また、イギリスのジョン・ミッチェルも同様の論文を発表した^[12]^[11]。しかしその後、光の波動説が優勢になり、この着想は忘れられた^[13]。

現代的なブラックホール理論は、アルベルト・アインシュタインの一般相対性理論が発表された直後の1915年に、カール・シュヴァルツシルトがアインシュタイン方程式に対する特殊解を導いたことから始まった^[10]^[13]。シュヴァルツシルト解は、時空が球対称で自転せず、さらに真空であるという最も単純な仮定の上での一般相対性理論の厳密解として得られる。アインシュタイン自身は一般相対論で特異点が有り得ることを渋々認めていたものの、それはあくまで数学的な話であって現実には有り得ないと考えていた^[14]。

1930年に、インド出身でイギリス本国に留学に来ていた当時19歳のスブラマニアン・チャンドラセカールが、白色矮星の質量には上限があることを理論的に導き出し、質量の大きな恒星は押し潰されてブラックホールになると、ブラックホールの存在を初めて理論的に指摘したが、当時の科学界の重鎮であったアーサー・エディントンがまともに検討することもなく頭ごなしに否定した^[15]^{[注釈 3]}。

1939年、ロバート・オッペンハイマーとその指導大学院生であったハートランド・スナイダー（英語版）が、アインシュタインが成功を収めることになった流儀を真似て一つの思考実験を行った^[16]。二人は、大質量の星が燃え尽き、突然自重で潰れる時に何が起きるのか自らに問いかけてみたのである^[16]。当時、太陽のような軽い星の場合は地球サイズで鉄の密度にまで収縮することが分かっており、より重い星はさらに収縮が進み直径10マイル（16km）程度のボールに収縮すると、フリッツ・ツビッキーとウォルター・バーデが仮説を立てていた^[17]。オッペンハイマーらは、当時の物理学界を賑わせていた中性子星存在の議論の中で、恒星の崩壊後にできる中性子星の質量には上限があり、超新星爆発の後に生成される中性子の核の質量がその上限よりも重い場合、中性子星の段階に留まることなくさらに崩壊する重力崩壊現象を予言した^[18]。しかしオッペンハイマーは、ここまで研究を進めたところで原子爆弾開発を目的とするマンハッタン計画の責任者としてロスアラモス研究所の所長に任命され、ブラックホール研究からは遠のくことになった。

ほとんどの物理学者はこうした説明を何一つとして真剣に受け止めていなかったが、フレッド・ホイルは別だった^[17]。突飛な説明をすることにかけては一流であったホイルは、太陽の何百万倍もの超星（スーパースター）は熱核反応ではなく重力によって電波銀河にパワーを供給していると提唱した。そして、超星ほどの巨大な物質の集まりを自重で崩壊させてみれば、その質量の90%までがエネルギーに変換され、クエーサーの燃料となり得ると指摘した^[19]^{[注釈 4]}。

ジョン・ホイーラーは特異点と重力崩壊の問題を考え続けていた^[19]。計算の結果、ホイーラーは物質とその本質をなす様々な属性^{[注釈 5]}は、特異点で単純に消えてしまうと確信した^[20]。1963年、ロイ・カーが軸の周りに一定の角速度で回転するブラックホールについての厳密解（カー解）を導いた^[21]^{[注釈 6]}。

ホイーラーが「最終状態の問題」とデリケートな言い回しで表現した問題を、ロジャー・ペンローズは強力な定理やエレガントな証明を用いて、まるで四次元における幾何学問題であるかのようにアプローチした^[24]^{[注釈 7]}。一般相対性理論に対しては多くの科学者が、特異点というのは架空のものであり数学的な理想化の産物と考えており「星は回転で物質は跳ね飛ばされ、中心の周りで渦を巻き、一体になって特異点を形成するようなことはない」信じられていたのである^[24]。ところが1965年に、ペンローズが星の崩壊は特異点に収束することを証明した^[24]。物質とエネルギーが充分に集まっている所ならどこでも時空に終わりが来ることがあると証明したのである^[24]。デニス・シアマはこれを「一般相対論にとって最も重要な貢献」と呼んだ^[24]^{[注釈 8]}。

ホイーラーは数年の間「物理と宇宙の窮地」「重力の黙示録」とも言える天体を研究していたが、より劇的に表現する方法を探し続けており、1967年にニューヨークで開かれた会議において「ブラックホール」（black hole）という語を採用し、研究のPR面に役立てた^[7]。後にホイーラーは「時に患者は、いくら医者が病気だと言っても病気に名前をつけてくれないうちは信じないことがあるんだ」と説明したといわれる^[7]。

1960年代の終盤から、イギリスの理論物理学者らは活発に刺激を与え合い理論を生み出すようになり、ペンローズとシアマ・グループは、特異点、時空の構造、物質の末路に関する定理を数多く生み出していった^[24]。例えば当時生み出された有名な定理を一つ挙げると、崩壊する物質もしくはブラックホールに落ち込むものは何であれ、特異点にぶつかって存在が潰滅してしまうか、ブラックホールが回転しているとすれば、中心のワームホールに命中して別の時空や宇宙にホワイトホールとして噴出すると結論を下している^[26]。

ホイーラーは、ブラックホールは飲み込む対象が何（青色巨星・星間塵・ニュートリノ・放射・反物質）であれ、それに関する情報を破壊して経過を隠してしまい、そこから出てくるものは同じものになるという撹乱能力を備えていることを示し、「ブラックホールには毛がない（ノーヘア）」と表現し（ブラックホール脱毛定理）^[27]、カーターも別な定理としてノーヘアを提唱した。この定理はブラックホール物理学に革命を起こした^[28]。ホーキングはこの定理のことを気にしており、こうした研究の多くをジョージ・エリスと共同で執筆し、1971年に出版された『時空の大規模構造』（Large Scale Structure of space time）にまとめている。これは後に古典の一つに数えられるようになった^[28]。

1974年にホーキングがホーキング輻射の公式を考案すると、シアマはそれを高く評価し「自分の優秀な教え子の業績」として自らの講義で紹介した^[29]が、後にこの公式から導かれるブラックホールの蒸発に伴う情報喪失のパラドックスは物理学界に激しい論争を呼んだ^[30]。

脚注

注釈

^ 比較して「ホワイトホール」と称されることが多い。
^ 脱出速度を超えなくてもロケットのように推進力を与え続ける、光速度不変の原理によって速度が保たれる光などは脱出できるが、空間自体が歪むことによりこういったものでも脱出できない。
^ この乱暴な態度が、結果的にその後40年間ブラックホールの研究が滞る結果を招く要因となった。また、このやりとりはチャンドラセカールのその後の人生にも暗い影を落とすことになった^[15]。
^ これはシュミットがクエーサーの正体を暴く前のことだった^[19]。
^ 例えば、物質と反物質との違いというような、物理法則を支えている根本的な属性。
^ なお、カー解は、ブラックホール唯一性定理により、軸対称定常・真空かつ無限遠平坦という仮定のもとでのアインシュタイン方程式のただ一つの解であることが示されており、ブラックホール脱毛定理（無毛定理）の描像とあわせて、物理的に形成されるブラックホールの最終段階と考えられている^[22]。1973年に京都大学の冨松彰と佐藤文隆が発見したトミマツ・サトウ解はカー解を歪めたもので裸の特異点が存在する^[23]。
^ ペンローズ本人は幾何学を専門としており、デニス・シアマにその才能を一般相対性理論の領域で活かすべきだと誘われた^[25]。
^ なお、ホイーラーはダラス会議から1年と経たない段階で、スティーヴン・ホーキングと出会っている^[25]。ホーキングは後に、事実上ホイーラーの最良の教え子となり、ブラックホールの研究を最も確固たる形で受け継ぐことになった^[25]。ホーキングは飲み込みの良い学生で、ペンローズの手法を全て吸収し、逆向きの星の崩壊と考えることができる、開いた宇宙（永久に膨張し続ける宇宙）に手法を応用した^[24]