ブラックホール内でのエントロピーの増減は？

質問

自然界で起こる変化では、常にエントロピーは増大しているのですか？
ブラックホールの中でもそうなのですか？
ブラックホールは散らかった宇宙をまた集めて秩序を回復させる役割を果たしていますか？

回答No.2

noname#212313

#1です。

>何一つ逃さず光までをも呑み込んでしまうブラックホールが、物質を放出してしまうとは、いったいどういうことなのでしょう？

　正確には事象の地平面のごく僅か上で起こるのがホーキング輻射です。事象の地平面内部から何かが出てくるわけではありません。

　何もない空間を量子力学でミクロに考えると、常に対生成と対応する対消滅が至る所で常に起こっています。一瞬、光子のペアができるのですが、すぐにペア同士で消滅するわけです。

　しかし、ブラックホールという光も抜け出せない重力源のそばだと事情が違ってきます。対生成した光子のペアのうち、片方がブラックホールに落ちてしまうということが起こります。両方がブラックホールに落ち込んだ場合は何も起きないんですが、片方が落ち込み、もう片方がブラックホールから出てくるケースもあるわけです。

　すると、ブラックホールは光を発していることになります。それがホーキング輻射です。ブラックホールに落ち込んだのは光子ですから、エネルギーがあり、エネルギーに対応する質量相当の物質と考えてよいです。すると、ブラックホールは放置していても大きくなるのか、ということになりますが、落ち込んで行く光子は負のエネルギーになるようです。そのため、ブラックホールは放置すると光を発しつつ、常に質量を減らしていきます。

　ホーキング輻射はブラックホールの質量が小さいほど激しくなります。恒星からできる普通のブラックホールだと、ホーキング輻射の効果はとても小さく、もし宇宙誕生間もなく星ができ、それが直ちにブラックホールになったとしても、ホーキング輻射は観測可能なほどの光（電磁波）になりません。

　それでもごくわずかにホーキング輻射があり、ブラックホールは質量を減じて、いつかは観測可能な強さの電磁波を発するはずです。それには、10の何十乗年といったオーダーの未来ですので、ホーキング博士などは「もし宇宙誕生のときに、手ごろなサイズのブラックホールができていれば、それが観測可能になっている可能性がある……かもしれない」という期待を表明しています。まだ、それらしいものは見つかっていません。

お礼

ありがとうございました。

補足

光子が負のエネルギーを持つのですか？
また、難解な話ですね。
光子は仮想のもので、実在しないという人もいますね。
もう、私には何が何だかよくわかりません。
この辺になると、ホーキングさんが嘘や間違ったことを言ったとしても、私には論評すらできませんね。
本当にブラックホールは勝手に消滅するんですかね？

回答No.1

noname#212313

>自然界で起こる変化では、常にエントロピーは増大しているのですか？

　ブラックホールのような極限状況でなくても、熱力学は絶対に成り立つとはいえない、ということが理論的に証明されています。その証明をしたのがミクロな点まで考慮した統計力学で、絶対ではないが極めて高い確率で熱力学が成り立つ、としています。

　例えば次のような説明をしたりします。「鍋に水を入れてコンロの火にかけると、水がみるみる凍ることはあり得る。ただし、この銀河いっぱいに鍋とコンロを敷き詰めて1億年実験しても、まず間違いなく1つも凍らない。」

　普通の部屋の中でも、空気の温度を微視的に見れば（分子数個レベル）、エントロピー増大法則が成り立っていない現象は常に起こっています。しかし部屋全体でみれば、そうならない確率は極めて高いということになります（部屋を銀河いっぱいに並べても略）。

>ブラックホールの中でもそうなのですか？

　ブラックホールは事象の地平面という、外から中へは行けるが、中から外には出られないという一方通行のもので覆われています。そのため、中では何が起こっても問題にはなりません。例えば、中心には特異点と呼ばれる、質量は有限ながら密度無限大のものがあります。無限大が出てくると、物理学理論は無力です。何でもあり、みたいなことになります。それでもいいのです。中から外には何も出しませんから。

　ですので、ブラックホールの外だけが問題となります。

>ブラックホールは散らかった宇宙をまた集めて秩序を回復させる役割を果たしていますか？

　そのことが、進展はあるものの、まだ未解決の問題として残っています。単純に考えた場合、エントロピーの減少が起こることが知られていました。例えば、事象の地平面は時間が停止しているので常に絶対零度になります。どんなに熱を加えても絶対零度のままです。ということは、宇宙全体が絶対零度になるまで、ブラックホールが低温源として使えることになります。

　そのことを宇宙全体で考えると、熱力学第二法則に反します。ブラックホールは宇宙の中にあるものでできたのですが、それが永久の低温源になるというのは、第二種永久機関を作れることになるのです。

　それは起こらないのではないか、という予想があり、理論的な研究を進めてみると、いろいろ出て来ました。有名なものにホーキング輻射があります。ブラックホールの事象の地平面は絶対零度ではなく、中から外に出すのではない方法で、ブラックホールに取り込んだ質量と同等のものを外に発し、最後にブラックホールは消滅する、というものです。

　その一連の過程で、エントロピーはやはり増大するだろう、という可能性が強く出ています。その他にもいろいろ研究が進んでいますが、おおむねエントロピー増大法則を支持する方向になっているようです。

お礼

ありがとうございます。

補足

ホーキング放射ですか。
聞いたことはありますが、どうもよくわかりません。
何一つ逃さず光までをも呑み込んでしまうブラックホールが、物質を放出してしまうとは、いったいどういうことなのでしょう？