これはブラックホールの向こう側に（おそらく）存在するかもしれないものです

おそらく、過去 10 年間で最も驚くべき科学的発見は、宇宙がブラック ホールで満ちているということです。

これらの穴は、さまざまな驚くべきサイズで観察されており、太陽の質量よりわずかに大きい質量を持つものもあれば、数十億倍大きい質量を持つものもあります。 それらはさまざまな方法でも観察されています。穴に向かって落下する物質からの電波放射を通じて。 そして、その周りを回る星々への影響を通じて。 それらの合体中に放出される重力波を通じて。 そして、それが引き起こす非常に奇妙な光の歪みを通じて（少し前に国際新聞の一面を飾った、天の川の中心にある超大質量ブラックホールである射手座A*の画像に現れたアインシュタインリングを思い出してください）。

私たちが住んでいる空間は平坦ではなく、ストレーナーのように空に穴が空いています。 アインシュタインの一般相対性理論は、すべてのブラックホールの物理的性質をうまく予測し、記述しました。

これらの奇妙な物体について私たちが知っていることはすべて、これまでのところアインシュタインの理論と完全に一致しています。 しかし、アインシュタインの理論では答えられていない主な疑問が 2 つあります。

最初の質問は、物質がブラックホールに入ったとき、どこに行くのかということです。 2 番目の質問は、ブラック ホールはどのように終わるのでしょうか? 数十年前にスティーヴン・ホーキング博士によって初めて理解された説得力のある理論的議論は、遠い将来、ブラックホールはその大きさに応じた寿命を経た後、高温の放射線を放出することによって収縮する（物理学者が言うところの「蒸発」する）ことを示唆しています。現在はホーキング博士として知られています。

これにより、穴はどんどん小さくなり、最終的には非常に小さくなります。 しかし、その後はどうなるでしょうか？ これら 2 つの質問はいまだ答えられておらず、アインシュタインの理論も答えを提供していない理由は、両方とも時空の量子の側面に関係しているためです。

これは、両方とも量子重力が関係していることを意味しますが、量子重力の確実な理論はまだありません。

答えてみてください

しかし、暫定的な理論があるため、希望はあります。 これらの理論はまだ実験や観察によって裏付けられていないため、まだ証明されていません。

しかし、それらはこれら 2 つの重要な質問に対して暫定的な答えを提供するのに十分な進歩を遂げています。 したがって、これらの理論を使用して、何が起こっているかについて知識に基づいた推測を行うことができます。

定義されていません

おそらく、量子時空の最も詳細かつ先進的な理論は、1980 年代後半から着実に発展してきた実験的な量子重力理論であるループ量子重力 (LQG) です。

この理論のおかげで、これらの質問に対する興味深い答えが得られました。 この答えは、次のシナリオで示されます。 ブラックホールの内部は、量子効果が優勢になり始める段階に達するまで進化します。

これにより、崩壊するブラック ホールの内部の力学を反映する強い反発力が生じ、ブラック ホールが「跳ね返る」ことになります。 量子重力理論によって説明されるこの量子段階の後、ブラック ホールが縮小するのではなく拡大していることを除いて、ホール内部の時空は再びアインシュタインの理論に従います。

ブラックホールの膨張の可能性は、ブラックホールによって予測されたのと同じように、アインシュタインの理論によって実際に予測されました。 これは何十年も前から知られている可能性です。 この対応する時空領域には「ホワイトホール」という名前さえあります。

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同じ考え方ですが逆です

この名前は、ホワイト ホールは、ある意味、ブラック ホールの反対であるという考えを反映しています。 これは、上向きに跳ね返るボールが、そのボールが落ちたときの下向きの経路とは逆の上向きの経路をたどるのと同じように考えることができます。

ホワイト ホールは、ブラック ホールに似た時空構造ですが、時間が逆転しています。 ブラックホールの中では物が落ちます。 しかし、ホワイトホールの内部では、物事は外側に移動します。 ブラックホールからは何も抜け出せません。 同様に、ホワイトホールには何も入ることができません。

外側から見ると、何が起こっているかというと、蒸発プロセスの最後に、質量の大部分が蒸発して小さくなったブラック ホールが、小さなホワイト ホールに変わります。 LQG は、そのような構造は量子効果によってほぼ安定になり、そのため長期間存続できると指摘しています。

ホワイトホールは、ブラックホールが蒸発した後に残るものであるため、「残骸」と呼ばれることもあります。 ブラックホールからホワイトホールへの移行は「量子ジャンプ」と考えることができます。 これは、電子がエネルギーを変えるときにある原子軌道から別の原子軌道にジャンプする、デンマークの物理学者ニールス・ボーアの量子ジャンプの概念に似ています。

量子ジャンプによって原子が光子を放出し、それによって光が放出され、私たちが物を見ることができるようになります。 しかし、量子重力理論は、これらの小さな残骸の大きさを予測します。 したがって、独特の物理的結果、ジオメトリの量子化が得られます。 特に、量子重力理論は、あらゆる表面の面積は特定の離散値のみを持つことができると予測しています。

ホワイト ホール残存地平線の面積は、最小の非消失値によって決定する必要があります。 これは、マイクログラムの何分の一かの質量を持つホワイト ホールに相当します。つまり、人間の髪の毛の重さにほぼ相当します。

このシナリオは、前に提起された 2 つの質問に答えます。 蒸発プロセスの最後に何が起こるかというと、量子ブラック ホールが小さくて寿命の長いホワイト ホールに飛び込みます。 ブラックホールに落ちた物質は、後にこのホワイトホールから出現することがあります。

物質のエネルギーのほとんどは、ホーキング放射、つまり蒸発を引き起こす量子効果によってブラックホールから放出される低エネルギー放射によってすでに放出されているでしょう。 ホワイトホールから出てくるのは、そこに落ちた物質のエネルギーではなく、むしろ残っている低エネルギー放射線ですが、それにもかかわらず、そこに落ちた物質についての残りの情報をすべて運びます。

このシナリオが明らかにする興味深い可能性の 1 つは、天文学者が空に痕跡を確認している謎の暗黒物質が、実際には全体または部分的に、古代の蒸発するブラック ホールによって生成された小さなホワイト ホールから形成された可能性があるということです。 これらの穴は宇宙の初期段階、おそらくビッグバンの前に発生した可能性があり、量子重力理論もそれを予測しているようです。

これは、自然の確立された 2 つの側面である一般相対性理論と量子力学のみに基づいて暗黒物質の理解を提供するため、暗黒物質の性質の謎に対する魅力的な解決策となる可能性があります。 また、暗黒物質に関するほとんどの代替実験仮説のように、ランダムな場の粒子や新しい力学方程式を追加することもありません。

次のステップ

では、ホワイトホールを検出できるのでしょうか? ホワイトホールを直接観察することは困難である。なぜなら、これらの小さな物体は、極めて弱い重力を通じて、空間および周囲の物質とほぼ唯一的に相互作用するからである。

重力だけを利用して髪の毛を検出するのは簡単ではありません。 しかし、テクノロジーの進歩により、それは不可能ではなくなるかもしれません。 量子技術に基づく検出器を使用してこれを行う方法に関するアイデアは、すでに提案されています。

暗黒物質がホワイトホールの残骸で構成されている場合、単純な推定では、そのような物体が毎日、大きな部屋ほどの面積を数個飛行する可能性があることがわかります。 今のところ、私たちはこのシナリオとそれが宇宙について私たちが知っていることとどのように適合するかを研究し、同時にこれらの物体を直接検出するのに役立つテクノロジーを待つ必要があります。

しかし驚くべきことに、このシナリオはこれまで考慮されていませんでした。 その理由は、弦理論の背景を持つ多くの理論家が採用している仮説、いわゆる「ホログラフィック」仮説の強力なバージョンに遡ることができます。

この仮説によれば、小さなブラックホールの内部の情報は必然的に小さくなり、上記の考えと矛盾します。 この仮説は、永遠のブラック ホールの考えに基づいています。技術的には、ブラック ホールの地平線は必ず「事象」の地平線であるという考えです (「事象」の地平線は定義上、永遠の地平線です)。 地平線が永遠であれば、内部で起こったことは事実上永久に失われ、ブラックホールは外部から見えるものとは独特に異なります。

しかし、量子重力現象は、地平線が小さくなると破壊し、地平線が永遠であることを妨げます。 したがって、ブラックホールの地平線は「事象」の地平線であることはできません。 含まれる情報は、地平線が小さい場合でも大きい可能性があり、ブラック ホールの段階の後、ホワイト ホールの段階で回収できます。

不思議なことに、ブラックホールが理論的に研究され、その量子的性質が無視されたとき、永遠の地平線がそれらを定義する性質であるとみなされました。 今、私たちはブラック ホールを空にある実際の物体として理解し、その量子的性質を研究していますが、その地平線が永遠であるべきだという考えは単なる理想であったことがわかります。

現実はさらに微妙です。 おそらく、ブラックホールの地平線でさえも、永遠のものは何もありません。

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