ブラックホールは存在できるのでしょうか？

質問

始めまして、
ネットや書籍（初心者でも解るレベル）にて、ブラックホールについて調べていますと良く以下のような説明が出てきます。

ブラックホールは体積0、質量無限大で無限に光さえ落ち続けるとありますが、無限に落ち続けるとは宇宙を2次元にたとえて、重いものほどその面が沈見込むイメージで、ブラックホールはその沈見込が無限に続いてるとイメージすればなんとなく解るのですが、体積0と言うのが良くわかりません。体積がゼロならそもそもこの宇宙に存在していない事になるような気がするのですが？。それでもブラックホールの回りに影響をあたえている以上やはりそこに存在しているのでしょうか？。
光は静止質量ゼロですが光が静止することは無いと思いますし周波数分のエネルギーがあるので質量もあるので重力に捕らえられるのもなんとなく解ります。
なぜ光（光子）は静止できないのですか？、素粒子は全て静止状態は取れないのでしょうか？それとも光子だけ特別なのでしょうか？

説明が下手で申し訳御座いませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.6

tadys · ベストアンサー

＞2、裸の特異点と言う考え方があるのですね、とても参考になりました。これは特異点の大きさがシュバルツシルト半径と同じ状態と考えて宜しいのでしょうか？

違います。
事象の地平線に覆われていない為に外部から観測できる状態になっている特異点のことを裸の特異点と呼びます。
回転しているブラックホールでは特異点がリング状になりますが回転が強くなると地平線の外側に現れます。
現実の世界ではそれほど強い回転をするブラックホールは作ることが出来ないという立場もあります。
それが正しければ特異点を気にする必要はなくなります。

お礼

丁寧にご回答していただき誠に有難う御座います。
裸の特異点はご指摘のように自分の考えていた概念とは違うもののようです。もう少し勉強して見ます。

ご丁寧に回答頂き有難う御座いました。

回答No.5

ojisan7

ネットや通俗的な科学書で調べても、それ以上議論は進展しません。生半可な知識でブラックホールについて議論しても無意味だと思います。専門書の熟読をお薦めします。

ブラックホールについてだけ考えるならば、M理論等の量子重力論まで持ち出す必要はありません。ブラックホールは幾何学的には、事象の地平線であるSchwarzshild半径の球ですから、有限の体積を有します。Schwarzshild半径の外部にいる観測者にとっては内部まで知ることはできないのですから、それで十分です。体積ゼロまで考える必要はありません。
しかし、Schwarzshild半径は見かけの特異点です。Kruskal座標によって座標変換すれば内部解と外部解を接続することができます。そうすると、特異点はr=0の１点のみとなります。この特異点の性質を論ずることは今の物理学にはできません。M理論等の空想の理論はありますが、ブラックホールの解明までは程遠いという感が否めません。

>なぜ光（光子）は静止できないのですか？素粒子は全て静止状態は取れないのでしょうか？

ことばの自己矛盾かも知れませんが、光子の静止質量はゼロだからです。光子に限らず、静止質量ゼロの素粒子は静止することができません。（量子論の不確定性原理はこの場合考慮していません。）静止質量がゼロの粒子が静止できず、なぜ、光速度で走ってしまうのかについては、厳密ではないですが、E^2-(cP)^2=(mc)^2で考えればイメージすることができます。ニュートリノも静止質量がゼロなら光速度になります。（ニュートリノが静止質量を有することを疑問視する人も多数いますから、ノーベル賞をもらえるかどうかは難しいですね。）ただ、はっきり言えることは重力子（存在するかどうかは別問題ですが）の静止質量はゼロでしょうね。

補足

ojisan7様、ご回答有難う御座います。

＞ネットや通俗的な科学書で調べても、それ以上議論は進展しません。生半可な知識でブラックホールについて議論しても無意味だと思います。専門書の熟読をお薦めします。

私も皆さんのご意見を拝見させて頂きそのように思ったしだいです。
ただ自分なりに大まかなイメージが出来ないものかと思いご質問させて頂きました。しかし3次元までしか理解できない人間にはそれ以上の次元などほ扱うには数学が必要だとも思い知らされました。数学なら11次元でも数位が次元数11になるだけなので理解できるのだと思います。

＞特異点はr=0の１点のみとなります。この特異点の性質を論ずることは今の物理学にはできません。M理論等の空想の理論はありますが、ブラックホールの解明までは程遠いという感が否めません。

r=0とはやはり半径がゼロ、計算上は体積ゼロになるのですか？

静止質量ゼロのものが静止できない件についてのアドバイス有難う御座います。今の私の知識ではE^2-(cP)^2=(mc)^2が理解できないのでまずこの公式を理解したいと思います。

重力子、グラビトンの事で宜しいかと思いますが存在は確認されていないとのことですが、私が知る限りの内容では重力子も高速度で伝わるとの解釈で降りましたが何故静止質量がゼロと予想されているのでしょうか？。

重力子が確認できないのは何故なのでしょうか？、力が物凄く弱いからなのでしょうか？、例えば地球の表面にネジが一個あり、これは地球全体とネジが引き合っている状態だと思います。しかし簡単に磁石で吊り上げられると言うことは重力より電磁気力の方が遥かに強い力だと言う事になりますね。

よろしくお願いいたします。

回答No.4

tadys

＞その上で特異点だから体積ゼロ、質量無限大と扱っても良いものなのでしょうか？

一般相対性理論が正しいとすると特異点の発生は避けられません。
特異点があっても事象の地平線の中ならば観測できないのであってもかまわないという立場もあったのですが
場合によっては地平線で覆われていない「裸の特異点」が存在できることからこの立場は弱くなっています。
大部分の学者はきわめて小さい領域（プランクスケール）では一般相対性理論が正しくないものと考えています。
一般相対性理論は量子理論ではないので重力理論の量子化が必要と考えられています。
その候補としては「超弦理論」「ツイスター理論」などがあります。

下記の文献は参考になるでしょう。
http://www.h7.dion.ne.jp/~natsuume/japanese.html
「ブラックホールの謎に迫りつつある超弦理論」
「超弦理論はブラックホールの謎を解けるか？」

補足

ご回答有難う御座います。

tadys様の回答を読ませて頂きましてさらに疑問が出てきました。

1、大部分の学者はきわめて小さい領域（プランクスケール）では一般相対性理論が正しくないものと考えています。

この内容なのですが、例えばプランク長サイズの空間などを扱う際は一般相対性理論が適用出来ないと言う解釈で正しいでしょうか？
そう致しますとマクロな世界とミクロな世界では理論が違うという事になると思うのですが、一般相対性理論はあくまで近似値でしかなく本来の正確な計算式は量子力学の方が正しいという事なのでしょうか？。
私なりにではありますがマクロな世界とミクロな世界で計算式が違ってくるのがどうしても理解できないのです。物理法則が同じでありながら違うとはやはり一般相対性理論が近似値でしかないとしか思えません。

2、裸の特異点と言う考え方があるのですね、とても参考になりました。これは特異点の大きさがシュバルツシルト半径と同じ状態と考えて宜しいのでしょうか？

アドバイス頂けましたら宜しくお願いします。

回答No.3

Scull

1.ブラックホールの体積は0ではありません。物理的には、脱出速度が光速以上になる「シュヴァルツシルト半径」で定義され、太陽程度の質量のブラックホールならおよそ「3km」。
※ただし、太陽程度の質量のブラックホールは通常生まれないと考えられ、一般的に天然ブラックホールであれば太陽質量の3倍程度になり、その直径は18km前後になると計算されています。

2.前述の通り、ブラックホールの質量は「有限」で、最大の物でも太陽質量の500億倍と見積もられています（既に発見されている物では太陽質量の180億倍程度）。

おそらく、その説明を書かれた方は「ブラックホールを理解されておられない」のではないでしょうか。この宇宙に「無限の質量」なんて存在しませんのに（もしもそんな物があったら、そのシュヴァルツシルト半径は「無限」となり、宇宙全てがそのブラックホールの中になってしまいます。質量とシュヴァルツシルト半径には比例関係がありますので）・・・。

補足

ご回答有難う御座います。

私が参考にした書籍などが素人向けの本なのでかなり簡略化しているのかも知れないのですが、かえってそれが意味不明になってる気がします。と言って難しい数式が出てきても解らないのも事実なのですが。
シュヴァルツシルト半径は確かに有限の大きさと書いてありました。しかしブラックホール本体？は、体積ゼロ、質量無限大となっています。私の解釈では体積ゼロなので計算上は質量無限大になるのかとも思い、無理やりイメージしますと体積ゼロの空間に質量があるのだから質量無限大と言う感じかとも思いましたが、やはり意味が解りませんでした。
シュヴァルツシルト半径内は私たちの知っている物理法則が適用できないとも書かれていたので、今の物理学では解らない、逆に言えば何でも有りの世界的に扱っているのかとも思いました。

宇宙は端の無い有限空間と私なりには理解しているのですが、そうであれば質量無限大はScull様の回答に有るようにありえないと思いましす。

私の書き方が悪かったのもあるのですが、ブラックホール内の特異点についてとした方が正しかったようです。

その上で特異点だから体積ゼロ、質量無限大と扱っても良いものなのでしょうか？
宜しくお願いいたします。

回答No.2

D-1coffee

FIXさん、こんにちわ。
３次元でものをみようとしているから混乱するのですよ。
超ひも理論というものがあって、この世界は最大で11次元でできているらしいです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E5%BC%A6%E7%90%86%E8%AB%96

ある学者さんによれば暗黒物質の世界であり、霊魂の存在する世界とか
いっているらしいです。霊魂なんて出てきた日にゃ、わたしにはチンプ
ンカンプンです。全貌解明には後１００年以上かかるんじゃないですか？

回答No.1

vingbing

いろいろ疑問をもたれているようですが、これに答えるのに、
普通の言語を使うことがいろいろとさらに疑問を増やしている
ような気がします。
たとえば「そこに存在している」と書いていますが、
そことはどういう意味だと考えておられるのでしょう？
「そこ」の意味が正確にわかれば、「そこの体積」という意味も
正確にわかって、、、と順番にわかっていくと最後には
全部わかるのではないかと思いますが、
それらを普通の直感的な意味にとるとよくわからなくなるのでは
ないかと思います。それは普通の言葉で説明することの限界です。