元スレ【物理】蒸発するブラックホールの内部を理論的に記述　　ブラックホールは未来の大容量情報ストレージ？　理研 [しじみ★]

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理化学研究所（理研）数理創造プログラムの横倉祐貴上級研究員らの共同研究チームは、量子力学[1]と一般相対性理論[2]を用いて、蒸発するブラックホールの内部を理論的に記述しました。

本研究成果は、ブラックホールの正体に迫るものであり、遠い未来、情報[1]を蓄えるデバイスとしてブラックホールを活用する「ブラックホール工学」の基礎理論になると期待できます。

近年の観測により、ブラックホールの周辺のことについては徐々に分かってきましたが、その内部については、極めて強い重力によって信号が外にほとんど出てこられないため、何も分かっていません。また、ブラックホールは「ホーキング輻射[3]」によって最終的に蒸発することが理論的に示されており、内部にあった物質の持つ情報が蒸発後にどうなってしまうのかは、現代物理学における大きな未解決問題の一つです。

■研究手法と成果

共同研究チームは、蒸発の効果を最初から取り入れて、物質が重力でつぶれていく過程を理論的に解析しました。

球状の物質でこの過程を考えてみましょう（図1A）。連続的に分布した球状物質を、たくさんの球状の層の集まりと見なします（図1A1）。各層は、多くの粒子から成るはずです（図１A2）。その中の一つの粒子が重力により引かれ、中心に落下している様子を考えます（図１A3）。その重力は、粒子より内側にある物質のエネルギーによって決まります。そのエネルギーに相当するシュワルツシルト半径（図1A3の赤い破線）は、ホーキング輻射によりエネルギーが減っていくために時間とともに小さくなります。このとき、落下してきた粒子がシュワルツシルト半径の近くまでやってくると、落下と蒸発の効果が釣り合って、蒸発が先に生じている分だけ、粒子はシュワルツシルト半径に届きません（図１A3）。その結果、粒子はシュワルツシルト半径を通り越さず、そのわずかに外側のある所に近づいていきます。

これと同じことが球状物質のあらゆる所で生じ、この物質全体は収縮して、中身の詰まった高密度な物体ができあがります（図1B）。特に、最も外側の層を成す粒子たちは、全エネルギーに相当するシュワルツシルト半径のわずかに外側の所に近づいていくため、それがこの高密度な物体の表面になります。このイベントホライズンを持たない高密度な物体がブラックホールです。表面の半径とシュワルツシルト半径の差がわずかであるため、外からは、これまで考えられてきたブラックホールのように見えます。そして、非常に長い時間が経過した後、最終的には蒸発してしまいます（図1C）。

物質の量子力学の効果を取り入れたブラックホールの形成と蒸発の図

図1 物質の量子力学の効果を取り入れたブラックホールの形成と蒸発
重力でつぶれていく球状物質の内部を表す時空計量[2]と波動関数[1]を、物質の量子力学の効果を含むアインシュタイン方程式である「半古典的アインシュタイン方程式[4]」の解として構成したところ、上記の描像が示されました。その解には特異点[5]は現れず、また、真空の量子力学的効果により発生した大きな圧力が物質を支えていることが分かりました。

図1のAからBは、重力が極限的に強くなり物質が「凝集する」過程であり、それは水分子が水蒸気（気体相[7]）から水（液体相）になる過程に似ています。また、BからCの蒸発過程は、逆に水が水蒸気に変化することに相当します。この現象は、万有引力により全ての物質に対して普遍的に生じます。その意味で、ブラックホールとは、あらゆる物質が強い重力下で極限的にとる状態、すなわち「ブラックホール相」だといえます。

この解では、物質がブラックホール内部にどのように分布しているのかが分かるため、その情報（波動関数）がどこにあるのかを特定することができます。実際に、情報が内部で取り得るパターンの総数（情報量、エントロピー[8]）を調べると、それは熱力学[8]から導かれる結果「ベッケンシュタイン・ホーキング公式[9]」に一致します。これは、本研究で得られたブラックホールの内部構造が、これまで知られていたブラックホール外部の振る舞いと整合的であることを意味しています。

続きはソースで

http://www.riken.jp/press/2020/20200708_3/index.html

2 :

なるほど、
「一家に一つブラックホール」。
そういう時代が、すぐ来るんだろう。

3 :

いんちきいんちき

4 :

ほーなるほど、そういうことか

さっぱりわからんが

5 :

シュバルツシルトだな
この研究のおかしな所はブラックホール内部では時間が止まってるのを無視してるとこ

7 :

蒸発とは液体が気体になることなんだがなあ

8 :

さっぱりわからん
ましてこれを数式にして討論できるやつは頭がおかしい

9 :

ＡＩ「よし地球をブラックホールに投げ込もう

10 :

ﾎﾛｸﾞﾗﾌｨｯｯｯｸ

11 :

蓮舫　「時代はブラックホール(ｷﾘｯ」

12 :

物質を効率よくエネルギーに変換できる装置になるんじゃないのかね。
作った途端に地球が飲み込まれはじめたら面白い。

13 :

当然これからはブラックの頭文字は大文字で。

14 = 13 :

ブラックホール「オレを黒く表現する奴らはレイシスト。見たこともないのに黒く描写するのは偏見以外の何者でもないだろうが」

15 :

情報を外に漏らさない以上ブラックホールの内側は既に別宇宙というか異次元宇宙なんじゃあないのかな。
内部を観測出来ない以上少なくともこちら側と同じ物理法則である必然はない。

16 :

我々はブラックホールに記録されたメモリの一部に過ぎないと言うこと？

17 :

つまり、磁気テープ、磁気ディスク、光学ディスクと同列にブラックホールを採用するっていう話？
話も難しいけど発想すら理解できん。

18 :

理論だけ先行しすぎて観測が追い付いていない事なんで
なんともって感じ

19 :

後ろから頭をはたいて、「正気に戻れ」って言ってあげたい

20 :

ブラックホールで熱力学第二法則を満たすためにはエントロピーを持たせる必要が
あるがブラックホールに吸い込まれた物質は消失してしまい、量子状態が不可逆的
に常に同じ状態になってしまう・・シュレディンガーの猫のたとえ話にある観測し
た時点で量子状態が決定するという事と矛盾してしまう。吸い込まれた物のエント
ロピーは情報としてブラックホール内に保存されるということか・・

21 :

取り出せないんだから
倉庫にはならない

アメリカのシンクの排水口みたいな
流したらお終いのやつ

22 :

量子重力理論が完成したらまた違った結果が出るんだろうか

23 :

ブラックホールの情報量は粒子の情報量ではなく、波としての量子が波動が
複雑になっているだけ、つまりブラックホールの質量のサイズにかかわらず
その情報量は同じ無限大である。
じゃなければ無限井戸という説明が嘘になる。

逆にいえば、原子1個で発生しえる量子状態でも無限の情報ストレージになりうる。
だが不確定性原理でその情報を正しく読み出すことはできない。
量子コンピュータはそれを1ビットデジタルとして何度も同じ計算をさせ読み出す読み出すことで
不確定な読み出しを隠蔽しているだけだ。
つまり読み出しは複数回行う必要があり、さらに読み出しはアナログ的にはできない。
できるのは量子の特徴である波の性質がその部分の土壌となる粒子に依存していない
原理により波を幾らでも重ね合わせしても重ねあわせ限界は無い（発見されていない）ということだ。
限界があるならば水の水面を量子に例えて波を合成で計算するコンピュータでも同じことができる。
水の場合は水分子の総数上限がありその領域を超える複雑な波は作れない。

24 :

取り出せないだけです

25 :

>>16
真理っぽい

26 :

ゼノンのパラドックス

27 :

理解できないものを前にしたとき、
人は空想する。それは良いのだけれど、
問題は見えていても妄想するって事。
それを咎めたのだけど、
全く聞く耳持たないから、
神様は楽園から人を追い出されましたとさ。

28 :

おーいでてこーい

29 :

情報＝エネルギーなだけだろ？
相互に交換可能なら、ホーキング輻射でブラックホールが蒸発しても何も困らない。

30 :

　

研究で具体的にどういう作業をしたのかさっぱり分からん。

やってみたらホーキングの理論に一致したらしいが、実験って事でもなさそうだし。

　

32 :

ブラックホールドライブをWINDOWSに任せていいのかw
暴走するぞ

33 :

なんかみんなブラックホールに期待しすぎだよ重力が強いだけで、ただの重い物質の塊なだけなのに

34 :

とりあえずミノフスキー粒子って名前ににしてね

35 = 28 :

熱いってだけで、恒星丸ごとエンジンや発電機のコアにするような発想？

36 :

BHに特異点はなかったという話か
すばらしい成果なのでは

37 :

なんだこれ?
エントロピーの低下を避けるアイディアとしてホーキングらが唱えたアイディアがブラックホールの黒体輻射
その後近似解として得られたのがホーキング輻射
量子重力理論が無いまま近似の領域を増やしたってなんの意味もない

38 :

>>15
可能性の一つとしてはあり得る。
しかし、重力＝時空のゆがみ
によって局所に閉じ込められているだけで、
見えない壁の向こう側の物理法則が
同じ可能性もある。

39 :

この世界は仮想区間で
ブラックホールから出る情報を
外の観測者が拾っているんじゃないの

40 :

>>12
宇宙にあるブラックホールはそれぞれ高度文明がやらかした跡ということか

41 :

どーやってアクセスすんだ？

42 :

取り出せないと主張する人は
秘密のフォルダをブラックホールにコピーしておくように

43 :

これで俺のスケベ動画を末代はおろか人類の宝とすることができる

44 :

>>2
あろひろしの世界

45 :

よくわからんのだが、各層のシュバルツシルト半径よりわずかに外っていうのが
全部の層で起こってるから事象の地平面はないよ、っていう話でいいの？

47 :

時代はクラウドでは無くブラックホール(ｷﾘｯ

48 :

シュタゲかよｗ

50 :

エネルギー保存の法則とか質量保存の法則とか成り立たんの？

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