システム管理者
Juan Maldacena,
Institute for Advanced Study, School of Natural Sciences Princeton,
New Jersey 08540, USA
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Black Holes and the Structure of Space-Time • БиблиотекаBlack holes are very puzzling objects that are predicted by gelementy.ru
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1. Black Holes
2. Black Holes and Quantum Mechanics
3. Solving These Puzzles
4. The Structure of Space-Time
5. Bibliography
1. ブラックホール
ブラックホールは、アインシュタインの一般相対性理論によって予測された最も魅力的な天体の一つです。ブラックホールには興味深い歴史があり、時空の性質の理解を深めるために多くの理論的な驚きの源となってきました。
まず、ニュートンの重力理論を考えてみましょう。ここ地球の表面では、重力の力を感じることができます。石を上に投げると、重力の力で石が下に戻ってきます。では、物を上に投げても下に落ちてこないようにすることはできるのでしょうか？はい、できます。秒速11km以上の速度で投げると、地球の重力場から離れてしまいます。この「脱出速度」は、地球の質量と半径に依存します。もし地球がもっと質量があり、同じ半径であれば、脱出速度はもっと高くなります。では、もし、光の速度よりも脱出速度が速いほど密度が高く、質量のある物体があったとしたらどうなるだろうか？そうすると、光が逃げられなくなり、それは黒く見えます。例えば、大きさが
より小さい星は黒く見えるでしょう。ここでG_{N}はニュートン定数、cは光速です。計算式に慣れていない方のために、いくつか例を挙げてみましょう。地球の質量の物体がブラックホールになるためには、その大きさが1cm以下でなければならない。太陽の質量を持つ物体は、1km以下の領域に集中していなければなりません。このことは1800年代にP.ラプラスによって指摘されましたが、誰も注目していませんでした。
1905年に特殊相対性理論が登場して、光の速度は他の普通の速度とは違うことがわかりました。それは宇宙の速度の限界であり、光より速く進ませることができるものはないのです。アインシュタインの相対性理論は、空間と時間が密接に結びついていることも教えてくれます。時間の流れは、お互いに相対的に移動している観測者によって異なります。あなたが通りのそばに立って車が通るのを見ているとしましょう。車に乗っている人の時間の流れは、あなたの時間の流れとは異なります。2 つの別々の街灯が同時に赤になるのを見たとしましょう。運転手にとっては、同時に赤になることはないでしょう。これはもちろん、光が両人の目に届くまでの時間を考慮に入れた上でのことです。両者とも光の速度で進んでいる光を見ていますが、時間の流れ方は異なります。時間は相対的なものであり、光の速度は絶対的なものである。私たちは通常、光の速度よりもはるかに小さい速度で移動し、私たちは非常に正確に時間を追跡していないので、これは私たちにとって非常に小さな効果であるため、これは逆に直感的に思えます。これは、粒子加速器では常に見られる効果です。粒子は光速に近い速度で移動しているときには、はるかに長く生きています。
空間と時間は、一つの概念である時空にまとめられています。時間は、お互いに相対的に移動している二人の観測者によって異なる知覚をします。どちらの観測者も同じ時空を見ています。この二つの観測者の観測を関連付けるための正確な公式があります。
重力の話に戻りましょう。重力には、ガリレオによって発見された非常に特殊な特徴があり、真空中では、羽と石が一緒に落ちる。これは他の力では起こりません。電場の中の粒子は、その質量や電荷が変われば、異なる動きをする。ニュートンの重力理論では、すべての粒子が同じように落ちるのは、重力の力が質量に比例するからです。これを "等価原理 "と呼ぶこともあります。
アインシュタインは、ニュートンの理論では重力が瞬間的に伝播するので、ニュートンの理論は特殊相対性理論と両立しないことに気づきました。1915年、アインシュタインはこの問題を、等価性の原理も自然に取り入れた方法で解決しました。彼はこの理論を一般相対性理論と名付けた。彼は、重力は時空の湾曲に起因することを提案しました。湾曲した時空の中の粒子は最短の線に従う。湾曲した空間上で最初は平行な線は、後になってお互いに向かって移動するかもしれない。例えば、地球の赤道にある2本の子午線は、最初は赤道で平行だったが、北極で交差する。時空の形は、その上を移動する物質に依存しています。一般相対性理論は、時間の流れが重力場に依存していることを暗示しています。したがって、同じ建物の最上階と最下階に住んでいる二人の人は、時間の流れが違って見えることになります。下の階に住んでいる人の方が時間の流れが遅くなります。これは、この地球上の建物にとっては非常に小さな効果であり、1/1015の効果です。私たちが学んだことは、巨大な物体が空間と時間をゆがめるということです。特に、これは巨大な物体の近くの時間は、遠くの時間よりもゆっくりと流れることを意味します。
物理学者は常に最初に最も単純な状況を研究しようとします。そこで、一般相対性理論が発明されて間もない1916年、カール・シュワルツシルトという若いドイツ人が、アインシュタインの方程式の最も単純な球対称解を発見しました。これらの方程式は、点状の質量によって生成される幾何学であると考えられていた特定の幾何学を記述しています。その幾何学が何であるかを語るのではなく、その特徴の一つである静止した時計がチックする速度に焦点を当ててみよう。太陽の表面にある時計は、遠くにある時計よりも100万分の1の速度で動いています。中性子星の表面にある時計は、遠くにある時計の70%の速度で動いています。この場合、大きな効果があることがわかります。シュワルツシルトが発見した解は、「中心」にある時計が完全に止まってしまうことを示しています。当初、ほとんどの物理学者は、これは物理的ではない結果であり、過度に単純化された解析の産物だと考えていました。
さらに研究を進めると、シュワルツシルトの解の「中心」は、実際には完全に滑らかな表面であることがわかりました。時空を旅している観察者は、この領域を何の違和感も奇妙さも感じずに通過することができます。ブラックホールの外にいる人は、落下してくる観測者からの信号が、すべての実用的な目的のために、最終的には消滅するまで減速することを見ています。静止した時計がゼロに減速する表面は "地平線 "と呼ばれ、この地平線は戻りがない点を示し、この表面を横切った観測者は、再び出てくることができず、内部の「特異点」に押しつぶされてしまいます。特異点とは、非常に高い時空の曲率の領域で、彼は引き裂かれてしまいます。アインシュタインの理論におけるブラックホールの大きさは、今でもニュートンの理論でラプラスが計算した式で与えられていることが判明しましたが、物理的な解釈は大きく異なっています。
ブラックホールは、太陽の数倍の質量を持つ星が核燃料を使い果たし、その重力の下で爆発することで、天体物理学的な過程で形成されることがあります。宇宙にはブラックホールが存在することを示す多くの観測的証拠があります。これらの天体物理学的ブラックホールには、大きく分けて2つのタイプがあります。太陽の数倍の質量を持つものと、恒星が崩壊してできたものです。ブラックホールは黒いので、なかなか見ることができません。運よくブラックホールの中にガスが落ちてくることがあります。ガスが落下すると、このガスは熱を帯びて独特の放射線を発しそれを検出します。このガスは、ブラックホールを周回している別の星から来ることもあります。つまり、お互いに公転している2つの星があって、一方の星が崩壊してブラックホールになったとすると、もう一方の星からガスが出てきます。そして、もう一方の星からのガスがブラックホールに落ち始めます。また、銀河の中心には、もっと質量の大きなブラックホールがあります。これらは10億個の太陽の質量を持っています。これらのブラックホールに物質が落下すると、熱を帯びて放射線を発し、それが最終的には地球上の私たちによって検出されます。私たちのような大きな銀河はすべて、中心にブラックホールがあると考えられています。
この講演の焦点は、天体物理学的なブラックホールの説明ではなく、ブラックホールが時空の構造に与える影響を探ることにあります。
アインシュタインの理論によれば、ブラックホールは時空の穴であり、一度落ちたら二度と戻れない。ブラックホールに投げ込まれたものは永遠に失われる。ブラックホールは非常に興味深い普遍的な性質を持っています。星がブラックホールに崩壊したとき、その最終的な形は質量と角運動量の2つのパラメータだけに依存します。つまり、ブラックホールは普遍的なものであり、ブラックホールを形成した物質の特異な詳細な性質に依存しないのです。最初の星の化学組成に関係なく、常に同じブラックホールを得ることができます。つまり、ブラックホールは重力の理論だけに依存しており、他の力の詳細な性質には依存しないのです。
ブラックホールのもう一つの特異な特徴は次のようなことです：ブラックホールが関与しているプロセスがあるとします。例えば、2つのブラックホールの衝突を考えてみましょう。ブラックホールが衝突して、より大きなブラックホールを形成する。ちなみに、この過程では重力波を出すことができ、それを測定しようとしている検出器があります。この過程を計算するのはかなり難しく、複雑な方程式を解かなければなりません。それでも、いくつかの簡単な結果があります。最終的なブラックホールの面積は、最初のブラックホールの面積の合計よりも常に大きい。面積は常に大きくなる。これは「面積定理」と呼ばれ、1970年にホーキング博士によって証明された。