Nakajima

　2015年8月2日(日)，北軽井沢駿台天文講座，中嶋担当（2）

空想ブラックホール

◎講演要旨

　「ブラックホールはどこにあるのか」、「ブラックホールはどのように見えるのか」という問いには、現在明確な答えが示されています。しかし「ブラックホールの中はどうなっているのか」、「ブラックホールに入れるのか」、「入ったらどうなるのか」、「底抜けの時空の先はどうなっているのか」、などの問いには、まだまだ答えはありません。でも、「もしも・・・であったなら」という仮定を置いた上でブラックホールの様子をいろいろ空想することはできます。以下、楽しい空想をいろいろ考えてみましょう。
　まず「中はどうなっているか」という問いですが、ブラックホール本体と同様、中の状態も方程式の解として求めることはできます。解は一般に大変複雑ですが、簡略化した一つの解を見ると、次のようになります。すなわち、ブラックホールができるには大量の物質が極端に収縮することが必要ですが、収縮が進行してブラックホール限界（これを「事象の地平線」と呼びます）を超えてもその収縮は止まらず、果てしなく収縮するというのです。
　収縮した先はどうなるのか、一点に集まって時空とともに消滅するのか、あるいは別の空間（別の宇宙）に出口をつくるのか、などについては、現代の物理学では計算が不可能です。つまり、そこではもはや一般相対性理論の方程式は成立せず、別のさらに高度な理論が必要となるのだが、そのような理論はまだだれも思いついていない、ということなのです。
　ここからが「もし・・・ならば」の空想の世界です。まず「もし底抜けの穴の先が別の宇宙につながって出口、すなわち『ホワイトホール』を作るならば」と仮定します。また「もしブラックホールに無傷で吸い込まれ、また無傷で出口から出られたならば」と仮定すれば、このトンネルのようなものは別の宇宙への「橋」となるでしょう。これは「アインシュタイン・ローゼンの橋」と呼ばれます。
　さらにいろいろな仮定を積み上げて行けば、「タイムマシンも可能」などという空想も出てきます。これらを講座で具体的に説明します。

◎ブラックホールの理解

○BH の「へり」（これを「事象の地平線」という）
　・シュバルツシルト半径のところでは、時間は stop
      → 遠方から見ると、吸い込まれつつある物体は、ヘリのところで（時間が）止まって
　　　　　いるように見える。
      → 実際は、物体はどんどん中へ入って行く。ただ、見える光の到達時間が無限に延び
　　　　　るために、止まっているように見えるだけである。

 　 ※ これはちょうど、「地平線」を遠方から見ているようなもの。
　　　（遠近法の図の描き方、参照）
　　　　

　　　→ 実際の地平線にも「無限大」は現れる。地平線に近づくと、横線の密度が
　　　　　無限大になる。
　　　→ 地平線を越えて向こうに行くことができるように，シュバルツシルト半径を
　　　　　超えて中に入ることができる．

　・大きな引力と大きな「潮汐力」
　　　→　どんなものもばらばらになってしまう？
　　　　→ 実際は程度問題で、大きな BH に小さな物体が入るときは、さほどでもない。
　　　　　→ ばらばらにならずに中に入ることはできる。


○BH の中はどうなっているか
　・「特異点定理」（ペンローズ Roger Penrose、ホーキング Stephen Hawking、
　　　　　　　　　　　　ホーキング博士、公式ページ（英文））
     → BH の中ではすべての運動、時空が中心の１点に集中してしまう。 → 「特異点」
     → 特異点ではどうなるか、一般相対論では解決できない。 → 一般相対論の破綻。

     → さらに新しい理論によって解決・説明する必要がある。
         → 「相対論的量子論？」、「量子重力理論？」、「大々統一理論？」

○「ホワイトホール」というのはどうか
　　　→ シュバルツシルドの解と同様、「ホワイトホール（WH）の解」というのも
　　　　　存在する。
 　 　→ BH の場合は、物質の１点集中という方法で、それを具体的に作る方法を
　　　　　考えることができるが、WH の場合は「発散」であり、作る方法を考える
　　　　　ことができない。
　　　→ WH は実在しないだろう。

◎いろいろな「仮定」に基づく楽しい空想
     
　・[もし] 別の宇宙が存在して、その中に
　　[もし] WH が存在し、
  　[もし] それがこの宇宙の BH の先につながる
　　　　　　ようなことがあれば、これは他の宇宙
　　　　　　へ通じる「橋」になる。

      → アインシュタイン・ローゼンの橋（右図）　
 


　・別の宇宙と考えていたものが 
　　[もし] どこかで我々の宇宙とつながっていれば、この橋は宇宙の別の場所に（瞬時に）移動
　　　　  　できるトンネルになる。   → ワームホール(Wikipedia, 英文)

　　　　　
　
　　　→ ワープの可能性

　・[もし] その入口を高速で移動させることができたら、
　　[もし] 入口と出口の時間が同じであれば，
　　　　　「タイムマシン」を作ることができる。

　　※ 未来の世界へ行くタイムトラベルは可能である．
　　　　→ 人体の冷凍保存と蘇生，「ウラシマ効果」の利用．
　　　　　　参考：浦島太郎
　　　　　　双子のパラドクス
　　　　　　[FutamaseRel.mp4]
　　　　→ 過去の世界へ行くタイムマシンが問題．

　　　→ 入口を、光速に近い速度で遠方まで往復させ、
　　　　「ウラシマ効果」で時間差を作る。時間の遅れている入口
　　　　から入れば、出口は同じく遅れた時間、すなわち「過去」
　　　　なので、過去の世界に行ける（か？）。
　　　→　提案したキップ・ソーン博士

　　　参考：タイムトラベル
　　　参考：実現可能？タイムマシン