ブラックホールの蒸発について

質問

開いた宇宙での最終段階に訪れると思われるブラックホールの蒸発について質問です。

ブラックホール近辺で発生（？）した物質と反物質の内、反物質が落ちて対消滅がおこりエネルギーとして蒸発するってことだとおもいましが、なぜ反物質の方が多くブラックホールに落ちるのですか？
無から発生した（ほんとはエネルギーから？）物質と反物質は同数だと思うんですけど・・・

回答No.6

stomachman · ベストアンサー

まだちゃんと勉強してないくせに、何ともいい加減な話をしてしまいます。凄く難しい話で、そう簡単には納得いかない。kyoto2001先生がいらっしゃるから、敢えてレポート出す積もりで書いちゃいます。

　物質・反物質の話ではないことは、これまでの回答で既に結論が出ていると思います。ブラックホールが蒸発するというのは、まさしくkatuyaさんの仰るような過程。ブラックホールの事象の地平線の微妙に上空で生じるであろう現象です。小さいブラックホールほど質量あたりの表面積が大きいので早く蒸発する。
　真空から電子陽電子対が発生するには1MeVのエネルギーが必要である。でもこのエネルギーはどこからも来ていない。（来てる場合は光子が粒子対に化ける訳で、この話とは違います。そうじゃなくて）不確定性原理ΔEΔt ～hの御蔭で、ごく短時間ならエネルギーが大きい状態が生じても宜しいという仕組みで発生するので、平均すれば真空のエネルギーは変化がありません。こういう、真空から勝手に湧いている電子・陽電子対（あるいは他の粒子・反粒子対）てのは、仮想粒子です。普通だったら観測には掛からない。Δt の間に対消滅しなきゃダメで、これでチャラです。ところが片っ方がブラックホールに喰われてしまうと、つまり、すぐに辻褄合わせる積もりで一瞬ズルしたら相棒が居なくなっちゃった、という状況が生じる訳です。残った方はしょうがなくて実粒子として飛び出す。これで初めて粒子が飛び出したことになり、その運動量と質量の分だけ真空より高いエネルギーを持っている。だからエネルギーを汲み出したことになります。
　ここまでの話だと、ブラックホールの微妙に外側の真空のエネルギーが1MeV分失われただけ。落ちた粒子も相棒を失って実粒子化してると思えば、ブラックホールの方が若干大きくなってあむ。とこれを喰うはずで、ブラックホールは大きくなっちゃう。（大きくならないと粒子を喰えないことについては既に別の質問で議論がありました。http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=30614）これでブラックホールの作ってる重力場の真空のエネルギーが平均としてちょっと低くなる。その分、ブラックホールの事象の地平線が後退してエネルギーの不足を埋め合わせます。これはあむ、と喰い付きにくる過程を時間反転したもので、失われた1MeVを埋めるには電子あるいは陽電子２個分ブラックホールが縮まなくちゃいけない。これでエネルギーレベルとしては仮想粒子対ひとつが真空中に放出されたのと同じことになる。喰った粒子と差し引きすると、実質、真空のエネルギーはもとのままで、粒子が１個飛び出してブラックホールが縮んだことになる。やっと勘定が合います。
　さて、片割れが実際に実粒子になってブラックホールに落ちるのかどうか。むしろこの過程は仮想的だと見るのが本来であろうと思います。ファインマン図形で言えば、粒子が時間を一瞬遡行してブラックホールから飛び出したと見る。（遡行中の粒子とは、実は反粒子の事です。）で、対発生した時点に到達してここで順行に変わる。すると普通の粒子になります。この図形を逆向きに辿ると、（真空のエネルギーが一定だとすれば）遡行中の粒子のエネルギーは真空に対してマイナスになっていなくちゃいけない。つまり、マイナスの質量を持つ粒子がブラックホールに落ちた、と見なすこともできる。これは現象の発生経過の順番にとらわれずに、むしろ時空で生じた相互作用全体として辻褄合わせをする解釈の仕方ですね。
　さらに別の言い方として、単にブラックホールから仮想粒子が飛び出すのはアリです。これは事象の地平線の微妙に上空で生じた仮想粒子の対が両方とも落ち込むのとバランスして、実質的にエネルギーを持ち出さないからです。(http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=25268)　ところがブラックホールから出てきた仮想粒子対の片割れが再結合する前にうっかり再度ブラックホールに落ち込めば、残った方が実粒子になって飛んでいく。これでブラックホールは差し引き粒子１個を失って縮みます。
　一方、半古典的(?)なディラックの真空の描像を持って来るのは、なんだかあんまり旨く行きません。それによれば、真空は実はマイナスのエネルギーの電子で埋め尽くされていると考える。たまたま１個の電子が励起されてプラスエネルギーになると、その電子が抜けた穴が陽電子で、この二つの粒子が仮想粒子対です。真空のエネルギーが０ならこの陽電子はエネルギーがマイナスの騾馬粒子でなくてはいけない。（騾馬粒子は掛けた力の方向と加速度の方向が逆向きになる想像上の粒子で、従って水中の泡のように重力があると上昇していく。）でもこの説明だと、なんで浮かんじゃう騾馬粒子の方ばっかり落ちるのか？ホントに電子ばっかり飛び出すのか？って既に出ていた質問（http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=21841)に帰着してしまいます。この説明は失敗のようです。

　言葉にするといろんな説明の仕方があるけど、計算するとどれも同じ。そういうことじゃないのかなと、今のところ想像してます。

お礼

お返事遅れて申し訳ございません。
それにしても、詳しい説明を有り難うございましたm(_ _)m

でも、この説明だけを見ると勘定が合うようにするための仮想だと聞こえます。
まぁ、現実に勘定はあうんでしょうけど、ブラックホールは消滅しなくてもいいのじゃないかと思えてしまいます。
つまり、「ブラックホールは消滅する」から「この理論が成り立つ」ように見えます。
この仮想が他の事象をうまく説明してくれるという例が聞きたいです^^
自分でもこの仮想に立って他の事象について考えてみまーす。
もちろん、ブラックホールが消滅するということ自体、仮想だということは認識してますよ。

でもやっぱり、ずるずると引きずるのもなんですので、また別の機会に・・・^^;
ながながと付き合って下さいました皆様ありがとうございました。
こういうことに興味を持つ者どうし、またどこかでお会いできることを楽しみにしています。
それでは。。

回答No.5

katuya

素人です。

以前仕入れた知識ですが、、、ブラックホールの地平面近くで（仮想）粒子対が生成すると、片方の粒子が落ち込みもう片方の粒子が逃げ去ることがある。
これを遠方から見るとまるでブラックホールから粒子が飛び出してきているように見える。
よってブラックホールの質量はだんだん減少する。
、、、といったものでした。

kyoto2001さんがおっしゃっていることと同じですかね。
私はよくわかっていませんが。

というわけで、落ち込むのが物質であるか反物質であるかは、この際関係ありますか？
反物質を大量に送り込んでやればブラックホールの質量は小さくなるのでしょうか？（これは別問題かな？？）

興味があるので書き込みました。失礼しました。

補足

ご意見ありがとうございます＾＾

つまり、ブラックホールのエネルギーを得て、
粒子対が生成が生成されるのですよね。

ブラックホールそのもののエネルギーを外部に取り出せることが、
納得できないのですよ～。

それに、粒子が飛び出せるような遠距離での出来事が、
本当にブラックホールそれ自身のエネルギーを用いてるのでしょうか？

＞反物質を大量に送り込んでやればブラックホールの質量は小さくなるのでしょう＞か？
それは確かに疑問ですね。。。。。
気づきませんでした。
質量多分減りませんね・・・・・増える気がします・・・＾＾；

回答No.4

nanashisan

失礼しました。私の勘違いです。

回答No.3

kyoto2001

nanashisanへ

>それなら、ブラックホールは蒸発しないと思うのですが。

なぜ蒸発しないのでしょうか？ブラックホールは物質も反物質も放射
しているので、そのエネルギーはブラックホールが供給しなければなりません。

補足

でも・・・エネルギーの放射は電磁波によって行われるんですよね～
事象の地平面の内側からエネルギーの放出が出来るのでしょうか？？

回答No.2

nanashisan

すみません、回答じゃないんですが。補足要求でもないし、ましてやアドバイスでもありません。といいつつアドバイスにチェックしたりして。
私もこの質問の回答があればメールで知らせて欲しいので書き込んどきます。

ところでkyoto2001さん
＞「反物質の方が多く」というのは誤りです。
は本当でしょうか。それなら、ブラックホールは蒸発しないと思うのですが。

回答No.1

kyoto2001

＞なぜ反物質の方が多くブラックホールに落ちるのですか？
よく引き合いに出されるこの説明は、あくまでも１つの仮想過程（Feynman diagram)に対するものです。同じように、物質がブラックホールにおちて
反物質が放出される過程もありますので、「反物質の方が多く」というのは
誤りです。

補足

ある仮想において反物質の方が多く落ち込み、
その多い分だけ放出されると考えるから帳尻は合ってるってことでしょうか？

勉強不足でよくわからないので、
よろしければこの仮想過程について、もうちょっとだけ詳しく教えて下さい。