ブラックホールに落ちたらどうなるでしょうか？

インターネットで「ブラックホール」を検索すると、上位の結果の少なくとも 1 つに、人がブラックホールに落ちたら何が起こるかを説明する内容が表示されます。

しかし、多くの時間と無駄な読書を省くために、短く正直に、しかしおそらく最もスリルのない答えは、誰も本当に知らないということです。心配しないでください。科学者たちは、何が起こっているのかについて、十分に根拠のある、しかし頭を悩ませる考えを持っています。しかし、それを理解するには、まずブラックホールに関するいくつかの基本概念を把握する必要があります。

ブラックホールとは何ですか？何がそんなに奇妙なのですか？

鉛筆のような小さな物体を手近に掴んでください。できましたか？おめでとうございます。あなたは地球全体の引力との戦いに勝利したのです。「重力は、自然界のすべての力の中で最も弱いものです」と天文学者でNASAの天体物理学者であるルーペシュ・オジャ氏は言います。

重力は弱いものですが、宇宙全体を支配しています。つかんだペンを空中に投げたら、すぐに戻ってきます。しかし、宇宙には、この引力が地球よりもほぼ無限に強い場所があります。その力は光ですら逃れられないほどです。ブラックホールです。これらの宇宙物体は極めて密度が高く、重力が非常に強いため、その引力に抵抗できるものは何もありません。

「子どもの頃、私はブラックホールを、重力が非常に強いので、十分近づくとロケットで脱出することはできないという物体だと理解していました」とオジャさんは言う。

ブラックホールに近づきすぎると何が起こるのでしょうか?

現時点では、地球は、地面に近い方の体の部分を少し強く引っ張っています。この引力、つまり潮汐力は、宇宙の大きさに比べて地球はそれほど大きくないため、感じたり見たりすることはできません。したがって、反作用の重力の力はそれほど強くはありません。

しかし、ブラックホールは地球よりもはるかに質量が大きいため、そこでの潮汐力は地球よりもはるかに強い。「宇宙飛行士が足からブラックホールに向かって落下すると、足への引力は頭への引力よりもはるかに強いので、落下する方向に（潮汐力によって）引き伸ばされる」とオジャ氏は説明する。このプロセスを天体物理学で実際に使う言葉は、非常にわかりやすい「スパゲッティ化」だ。

スパゲッティ化の後、ブラックホールに入ったもの（星、塵、惑星、不運な宇宙飛行士など）は、事象の地平線、つまり後戻りできない地点と呼ばれる目に見えない障壁を越えたことになります。その先で何が起こるかについては、知識に基づいた推測しかできません。

ブラックホールの謎

事象の地平線の向こうには、特異点と呼ばれる場所がある。これは、空間と時間が歪んで、私たちが知っているような存在ではなくなる、無限に密度の高い点だ。特異点は、ほぼ無限の量の質量が集中する時空内の非常に小さな領域だ。ハーバード大学ブラックホール・イニシアティブのディレクター、アヴィ・ローブ氏は、このような状況では、アインシュタインが重力のために作った方程式は破綻すると言う。

特異点のような物体は量子力学によって説明されます。問題は、量子力学における粒子の振る舞いが、アインシュタインの一般相対性理論における物体の振る舞いと大きく異なることです。つまり、ブラックホールの内部は矛盾です。重力が非常に強い場所でありながら、量子力学を通じてのみ理解できるのです。科学者たちは 1 世紀にわたって「万物の理論」を求めてきました。オジャ氏の言葉を借りれば、「ブラックホールは、現在物理学における最大の疑問を体現している」のです。

現在の仮説のほとんどは（ハーバード大学の量子重力教授ダニエル・ジャフェリス氏によると無数にある）、数学的には可能です。しかし、それはそれらの解決策のすべてが実際に起こっているという意味ではありません。したがって、覚えておいてください。この先を読むことはすべて可能ですが、必ずしも真実ではありません。

ブラックホールに入ったら、本当に私は終わってしまうのでしょうか？

現在の物理的な形態では、そうです。しかし、より深い意味では、そうではないかもしれません。スティーブン・ホーキングのおかげで、ブラックホールは放射線を放出し、徐々に縮小して消えていくことがわかっています。

しかし、ブラックホールが最終的に消滅すると、宇宙飛行士の粒子と恒星の粒子を区別する情報は決して消えないという量子力学の原理に反することになります。ブラックホールが最終的に消滅するとしたら、数十億年にわたって存在し、飲み込んだ情報はどこに行くのでしょうか。

ダニエル・ジャフェリス氏と他の何人かは、情報はホーキング放射と呼ばれるものを通して漏れると考えています。事象の地平線（スパゲッティ化後の目に見えない後戻りできない地点）の近くでは、物事は極めて速く動いており、温度と放射レベルは高くなります。そこでは、質量は最も基本的な状態である量子粒子に分解されます。これらの粒子はペアでのみ存在し、量子レベルで「エンタングルメント」されています。

情報パラドックスの解決策の 1 つは、ペアの 1 つの粒子がブラックホールに落ちても、もう 1 つのペアが脱出し、情報を宇宙に持ち帰ることができるというものです。

この理論によれば、不運な宇宙飛行士がブラックホールに入った場合、量子情報の一部は最終的にホーキング放射の形で放出されます。これらの小さな粒子のそれぞれは、ブラックホールから脱出できなかった情報の一部と量子レベルでしっかりと絡み合っています。

ジャフェリス氏は、焚き火と本を例にこの概念を説明しています。本を燃やしたと想像してください。そのページの情報はもう読めませんが、情報は別の形で存在しています。灰と煙になって大地と空に散らばっています。しかし、まだ存在しています。

「これは非常にエレガントな解決策です」とNASAのオジャ氏は言う。「しかし、それが真実かどうかはまだわかりません。」もし真実なら、情報を持つ小さな量子粒子でさえもブラックホールの重力から逃れることはできないとするアインシュタインの理論と矛盾することになる。

ブラックホールで何が起こるかを説明する他のアイデアはありますか?

科学者の中には、私たちが知っている 3 次元の現実は、宇宙が情報を保存する唯一の方法ではないと考える人もいます。彼らの理論によると、何かがブラックホールに落ちた場合、それは特異点 (空間と時間が不規則になる場所) で歪むことと、事象の地平線内に放射線として留まることがあります。この観点からすると、ブラックホールの事象の地平線は実際には殻、つまり明らかに 3D である情報を保存する宇宙の 2 次元平面です。

科学者たちは、ホログラムの例えを使ってこれを説明します。ホログラムは、2次元でのみ存在する情報の3D表現です。そして、より大きなスケールで見ると、この理論は、何にも「内部」が存在しないかもしれないことを意味します。言い換えれば、宇宙全体がホログラムである可能性があるのです。

それは驚くべき概念だが、さらに奇妙なものもある

別の理論では、すべてのブラックホールの終わりにはホワイトホールがある可能性があるとされています。そこは決して入ることができない、ただ出るだけの場所なのです。ホワイトホールでは時間が逆方向に流れ、質量は質量ではなく、その正反対になります。そこは卵が割れない場所かもしれません。科学者が宇宙のどこにも見たことがないものですが、理論上は起こり得ることです。

ホワイトホール理論とホログラフィック原理はどちらもアインシュタインの核となるアイデアの一部に違反していると考える人もいるが、これはワームホールのようなブラックホールの他の解決法にも共通する問題だ。

「問題は、一般相対性理論の方程式をそのまま使い続けると、基本的にその方程式に違反してしまうことになるということです」とオジャ氏は言う。

それで、私たちはこれをいつか理解できるのでしょうか?

天体物理学者は、この質問をされると、くすくすと笑い、永遠に分からないかもしれない、あるいは非常に長い時間がかかるかもしれないと指摘する傾向がある。ハーバード大学のアヴィ・ローブは、次のように答えた。「100年経っても、量子力学と重力を統一することはできませんでした。ですから、将来に当てはめると、少なくとも数百年はかかると思います。」