ブラックホールは、光さえもそこから逃れることができない天体として長い間脚光を浴びてきました。しかし、理論物理学者は、あまり理解されていないものの、同様に魅力的な対応物であるホワイト ホールを提案しています。
物質を引き寄せるブラックホールとは異なり、ホワイトホールは物質を反発します。
ホワイトホールとは何ですか?
天体物理学において、ホワイト ホールは、物質と光が空間内の特定の領域に引き込まれるのではなく、そこから現れる理論的な現象を表します。ブラックホールとは正反対です。
ブラックホールとは、重力が非常に強いため脱出速度が光速を超え、光が脱出できない宇宙領域であることはすでにご存じかもしれません。
脱出速度とは、物体が地球などの惑星の重力場から脱出し、代わりに宇宙へと外側に移動できるようにするために移動しなければならない速度を指します。
ホワイトホールの理論的基礎
ホワイト ホールのアイデアは、アインシュタインの一般相対性理論に応じて定式化したドイツの物理学者で天文学者のカール シュヴァルツシルトにちなんで名付けられたシュヴァルツシルト ブラック ホールの解決策に根ざしています。
ブラック ホールを記述する方程式を定式化したとき、彼はブラック ホールを支配するのと同じ物理法則の下でホワイト ホールが存在する可能性があることを発見しました。
彼のブラック ホールの解を時間反転不変条件によって拡張すると、ブラック ホールの特異点がホワイト ホールの特異点、つまり物質を引き込むのではなく排出する領域に変換されました。
物理学の文脈では、時間反転とは、時間が逆流して、一連の出来事が逆転するシナリオを想像することを意味します。
アインシュタイン方程式に対するシュワルツシルトの解は、事象の地平線に囲まれた点特異点を記述します。
アインシュタインの一般相対性理論
アインシュタインの一般相対性理論は重力に関する理論であり、重力をニュートンの理論のような物体間の力としてではなく、質量とエネルギーが引き起こす空間と時間の湾曲として説明します。
この一般相対性理論によれば、惑星、星、その他の巨大な物体は周囲の空間を曲げ、この空間の曲がりが私たちが重力として認識するものです。
基本的に、物体は空間内のこれらの曲がりに沿って移動します。これが、たとえば地球が太陽の周りを周回する理由です。
点特異点とは何ですか?
点特異点とは、特定の量 (密度や重力など) が無限に大きくなる空間内の場所です。
簡単に言うと、それは、物理法則自体を含む、宇宙全体で考えられるすべてが崩壊する地点のようなものです。すべてが想像を絶するほど小さな空間に押しつぶされるからです。
物理学者は、この概念をよく使用して、すべての質量が 1 点に集中しているブラック ホールの中心を説明します。
イベントホライゾンとは何ですか?
事象の地平線は本質的に、それを超えると光さえも逃れることができない領域です。
それは後戻りできない地点のようなものだと考えてください。何かがこの境界を越えると、ブラックホールに引き込まれ、そこから出る可能性はありません。これにより、事象の地平線はブラック ホールの最外層となり、その重力が強すぎて何も脱出できない限界が定義されます。
シュヴァルツシルトが理論化したように、ホワイト ホールのような時間反転の奇妙なケースでは、この事象の地平線は、物質と光が吸収されるのではなく、そこから逃げることしかできない境界になります。
ホワイトホールの量子的考察
ホワイト ホールを古典重力と量子重力の領域の概念として考えると、これらの考えはさらに広がります。
量子力学は、量子重力の理論と並行して、事象の地平線近くでブラックホールが量子効果により放射線を放出する のような現象を予測します。
これらのプロセスに時間反転を適用することで、ホーキング放射を反映する物理プロセスとして、ホワイトホールが同様に物質と光を放出する可能性があると推測する科学者もいます。
ホワイトホールは存在するのか？
ホワイトホールが存在するかどうかという問題には多くの課題が伴います。観測可能な宇宙におけるそのような天体の存在を直接裏付ける観測証拠はありません。
ただし、理論物理学では、理論的にホワイトホールが出現する可能性があるシナリオが提供されています。可能性の 1 つは、宇宙初期の宇宙インフレーション、つまり「ビッグバン」の最中であり、極度の膨張によって時空の領域が引き伸ばされ、ホワイト ホールが形成された可能性があります。
もう 1 つの興味深いアイデアはビッグ バウンス理論です。これは、私たちの宇宙が崩壊した親宇宙の残骸から形成されたホワイト ホールとして始まったことを示唆しています。
ループ量子重力理論
天体物理学者のアンドリュー・ハミルトンは、もしホワイトホールが存在するなら、それらは量子重力変換を起こし、質量とエネルギーの吸収から放出への役割が逆転した超大質量ブラックホールの残骸である可能性があると提案している。ループ量子重力と呼ばれます。
この変化は、宇宙に影響を与えることが知られている暗黒エネルギーや暗黒物質の影響下で起こる可能性があります。しかし、物理学者は、暗黒物質が基礎粒子とどのように相互作用するのかをまだ明確に理解していません。
他の理論的枠組みとのつながり
ホワイト ホールの概念を探求すると、物理学の他のいくつかの分野にも触れます。たとえば、重力レンズ（ブラック ホールのような巨大な物体の周りで光が曲がる現象）は、ホワイト ホールにも同様に当てはまり、その背後の空間に対する私たちの認識を変える可能性があります。
さらに、ホワイトホールを通じて親宇宙の外層から誕生する可能性がある赤ちゃん宇宙という考えは、多元宇宙理論と深く結びついており、私たちの宇宙が多くの宇宙のうちの1つにすぎない可能性があることを示唆しています。
ホワイトホールはまた、宇宙の熱平衡に対する私たちの理解に疑問を投げかけます。
それらはエネルギーと物質を吸収するのではなく放出するため、理論的には宇宙の種として機能し、エネルギー密度と基本粒子を宇宙全体に分散させ、それによってブラックホールとは根本的に異なる方法で銀河の形成と進化に影響を与える可能性があります。
