ブラックホール

質問

光も飛び出せないブラックホール、光と同じ速度のはずの重力はなぜ飛び出せるのですか？

回答No.12

Rhye

記憶があいまいなのでちょっと不安なのですが……
事象の地平面より内側では決して外（いわゆる球面座標系で、特異点を原点としたときのrの正方向）に進むことが出来ないので棒も外へ出ることは出来ないと思います。

なぜ外へ移動することが出来ないかというと（昔授業で聞いた程度で間違ってるかもしれないんですが）、ミンコフスキー空間（いわゆる時空）での有名な式：
s^2=(ct)^2-x^2-y^2-z^2
（s:世界距離　x,y,z:空間座標　c:光速度　t:時間）
の右辺の項の符号が、シュバルツシルト半径より内側では反転してしまうらしいです（どうして反転するか、は忘れてしまいました……すみません）。だから事象の地平面内では時間が空間的なものに、空間が時間的なものに、ちょうど性質が入れ替わってしまうらしいです。つまり、過去現在未来には自由に行き来するんですが、空間的に外に向かうことが出来なくなり、よって「どんどん落ち込む」しかない、という先生の話を感心しながら聞いた覚えがあります。

　ですから、棒が外に出ることはありえない、ということになると思うのですが、どうでしょうか。それに完全な剛体って現実に存在しませんし。
　関係ないですが「太陽に届く棒があって、それで棒を動かせば光速より速く力を伝えることが出来るのではないか」という質問も同様のことですよね？

でもそうすると、グラヴィトンがシュバルツシルト半径を超えて伝播する理由が良くわかりませんね……。まだグラヴィトンは非常に小さいすぎて（これも記憶があいまいですが、電磁力を1とすると重力は10^-30とか10^-40とからしいです）発見されてないし、ゆえに理論化が出来ないらしいので議論するのは大変ですよね……。あるいはグラヴィトンの伝播は空間に全く依存しないとか？＞あ、でも万有引力の法則にはr^-1が入ってますね……。

あいまいな部分が多くてすみません。どなたか補足、訂正お願いします。

回答No.11

stomachman

補足、見ちゃいました。再度、tjnさん、ナイス質問です。
　分かってるヒトは分かってるに違いないだけに、余計気になります。そろそろroger_penrose先生とか回答してくれんかな。

　棒は出ないと思います。出たら光だって何だって脱出できるでしょう。でも、するってえと、うーん。
　そもそも、これって重力子だけの問題じゃないデス。ブラックホールは電荷だって持っているんですからね。外部の観測者と仮想重力子なり仮想光子なりを「交換」しなくちゃ相互作用にならない訳で、一方通行だったらおかしい。
　ブラックホールの事象の地平線の微妙に上空の真空で湧いた仮想重力子（でも何でも）がブラックホールに落ち込むと、もう戻ってこない。もしそんなプロセスばかりなら、ブラックホールは真空から粒子を吸い込んでどんどん太ってしまう。でも、真空のエネルギーより低いエネルギーを持つ仮想粒子が落ちると、これは正味プラスの奴がブラックホールから飛び出してきたことと等価です。エネルギーが負って、仮想粒子ならアリですよね。これでチャラになっている、んじゃないかなあ、と思います。だから、仮想重力子、仮想光子は出入りしているって結論になります。例のブラックホールの蒸発の話も、電子ですらこの手で出入りできるって言ってるわけですし。
　ところがです。外部から観測すると事象の地平線上では時間の進行がありません。ブラックホールに近づくにつれて物が遅くなっていく。外から見て「落ち込む」という過程全体はついぞ観測できない。これと出入りがあるってのが併存するのかどうか。またしても仮想粒子ならアリなのか？？？「仮想」は通行手形なんでしょうかね？
　なんだかもひとつしっくりこないstomachmanです。

回答No.10

stomachman

stomachmanです。riv20さんの疑問に関して。（tjnさん、またしてもごめんなさい。）
「場」という考え方は、一種の遠隔作用論です。遠くにある物同士が瞬時に相互作用してしまう。これは変だというので、近接作用として相互作用を考える。これが「場の量子論」で、場を量子として捉え直した（量子化した）ものが仮想粒子です。
　例えば電磁力の場（電場・磁場）を量子化したものが「光子」、原子核の中で働く「強い相互作用」の場をを量子化したものが「π中間子」、クオークの間で働くカラー力の場を量子化したものが「グルーオン」、熱や振動の場を量子化すると「フォノン」。そして重力場を量子化したのが「グラビトン（重力子）」です。
　仮想粒子というのは、真空の揺らぎとして発生するものなので、寿命は粒子のエネルギーΔEに反比例します。不確定性原理（ΔEΔt ～h）の許す短時間Δtしか存在できずにすぐまた消滅する、おもてには出てこない粒子です。

＞重力が、光の速度と同じ、というのは、空間のゆがみが伝わるのが光の速度、ということ

まさにそうです。「空間のゆがみが伝わる」というのは重力場の「変化」が波になって伝わる「重力波」（観測で実在が証明されています）のことで、言い換えれば仮想でない、実粒子としての重力子が飛んでくるんです。（光子が飛んでくるのが電波であるのと同じように。）
　しかし、重力場に変化がなくても、いつも定常的に重力は働いていますよね。この働きを作り出しているのが仮想重力子というわけです。（電気力で言えば、静電場の電気力は仮想光子の交換で生じています。）
　tjnさんの質問は、「定常的な重力であっても、それを作り出している重力子が（実粒子であれ仮想粒子であれ）光速だったら、ブラックホールは外部に重力を及ぼせないのでは？」ということであり、必ずしも重力の変化のことだけを仰ってはいない。そして、atsuota先生の説明は、「ブラックホールの外側の真空中で湧いている仮想重力子が重力を伝えるんだから大丈夫」ということなんです。
　なお、重力場が空間の歪みであるという描像と、仮想重力子が湧いているという描像がどう繋がるのか、実はstomachmanにはよく分かりません。しかし、「場イコール空間」てのはちょっと微妙にずれているように思われます。
　atsuota先生、この答案の採点おねがいしま～す。

補足

本当に色々お教え頂き有り難うございます。少－しまた初歩的なことを伺います。もしも「事象の地平線の」内部から上空に向い、棒を立てていけば、その棒は内部から外部に達するのですか？
もしも空間の長さにこれが最小と定義できる単位があるとすれば（電荷単位のような１クーロンみたいなやつ、素空間とでも呼びましょうか）、地平線内部の空間はきっと素空間が無限に小さくなっているだから棒は外にでないでしょうね。
そうなれば、やはり重力子はドミノ倒しの様に空間を伝わるのでしょうから、空間内部から外にはでないはずでしょうし、それなら重力は外に伝わらないはずのような気がするのですが。
また「素空間」が無いのであれば、棒は外にでるように思うのですが。そしてその時は重力も外にでうる可能性もあるかなー？とも思いますが、如何でしょうか。

回答No.9

riv20

重力子、という概念を始めて聞いたので私は混乱しているんですが、私がNewtonから得た知識から言うと、「重力とは質量による空間のゆがみそのものである」ということです。したがって、atsuotaさんのいう、”強烈な重力場は空間をゆがめている”というのは、少し違います。「場」というのは、「空間」という意味ですから。
重力が、光の速度と同じ、というのは、空間のゆがみが伝わるのが光の速度、ということだと思います。例えば星が爆発したとき、質量が分散され、重力場の様相が変化するわけですが、その変化の伝播するのが光の速度、ということです。

回答No.8

stomachman

atsuotaさん、ん！そうにちがいない！！です。

回答No.7

atsuota

No.76396のstomachmanさんのアドバイスに対して

> でもね、atsuotaさん。
（中略）
> 　ひょっとすると、「太陽の重力子は太陽光球面上空100
> 億mの球殻表面から出ている。」はホントにアリで、至る
> 所で真空の分極だかなんだかで重力子が発生してるのかなあ。

さすがstomachmanさん、するどいですね。私が言いたかったのはまさにそこなんです。
あえて触れませんでしたが、力場を粒子の交換で理解する場合、その粒子は実粒子ではなく仮想粒子です。いたるところで場の強さに相当する数（エネルギー？）の粒子の生成、消滅が起こっており、結果的にブラックホール表面（ご指摘のとおり、時空の地平線上、厳密にはその微妙に上空）からその場所での重力場の強さに相当する数（エネルギー？）の重力子の生成が起こっている、とこう推測したわけです。
そもそも仮想粒子は無限遠に到達できるほど長生きできませんので、まぁ無難な推測かな、と思ったのですが。

ということでtjnさん、stomachmanさんいかがでしょうか。（あ！よく見たら下の回答が自信「あり」になってる。あくまで専門家ではないので「なし」です。）

ちなみに余談ですが。＃２のsoritonさんが
> 光は粒子であるので重さがあります
と書かれていますが、あくまで光子は質量を持ちません。
ただ、光子にはA地点からB地点まで移動するとき、最短時間で到達するように移動する、という性質があります。
何もない普通の空間では、これは直進になるわけですが、ブラックホールの強烈な重力場は空間をゆがめているため、その近辺では、ブラックホールに引き寄せられる軌道を通るほうが移動時間が最短になるので、光子はブラックホールに引き寄せられるわけです。
ですから、より正しくは、空間のゆがみの効果を、ゆがみのない空間を走る光子の「仮想的な」質量に置き換えて考えることができる、ということです。

回答No.6

stomachman

でもね、atsuotaさん。
> 「表面」から重力子が出てさえいれば
だったら、「太陽の重力子は太陽光球面上空100億mの球殻表面から出ている。」という表現もアリになるんじゃありません？それにブラックホールの表面（と言っても色々あるでしょうが、取りあえず事象の地平線だとすると）から重力子が出るって言っても、脱出速度は光速なんでしょう？外部から見て有限時間で出てこられるんでしょうか。
　ひょっとすると、「太陽の重力子は太陽光球面上空100億mの球殻表面から出ている。」はホントにアリで、至る所で真空の分極だかなんだかで重力子が発生してるのかなあ。

　なおfiorenzaさんの疑問については、X線が出ているのはブラックホールよりはるか上空、まだブラックホールに落ちるまえの物質が渦巻いている濃厚なガス雲（降着円盤）の中です。ブラックホールのはっきり外ですから、X線が全部吸い込まれてしまうわけじゃない。発生機構は、強烈な磁場の磁力線の周りを電子がくるくる回ることによるシンクロトロン放射（電子が加速を受けるときに出る光）です。
（わー、tjnさんほったらかしてごめんなさい。）

回答No.5

fiorenza

すいません、私も関連した質問をさせてください。

ブラックホールに物質が吸い込まれるとき、光すらも脱出できないのに X 線は放出されるのですか ?
ブラックホールの存在を確認する方法として、いままさに吸い込まれんとする物質が出す X 線を測定する、と本で読みましたが、「X 線も光の一種なら、ブラックホールから脱出できないんじゃ...」と疑問に思っています。

回答No.4

atsuota

まず私は重力の専門家ではないので、根本的な勘違いをしている可能性がありますが…
tjnさんは
「ブラックホールは強力な重力を持っている」
->「ということは重力子がブラックホールから出ているということだ」
->「でも光も飛び出せない重力場中でなぜ重力子は飛び出せるのだろう」
という推論をされたのではないでしょうか？
そうだとすると、この論展開にはいくつか飛躍があります。

まずブラックホールの重力を最も簡単に説明すると、
「『ブラックホール表面から重力子が飛び出す』ことがすなわち『ブラックホールが重力を持つ』ことである」
といえます。

ポイントは「ブラックホール表面」です。
「表面」から重力子が出てさえいれば、その起源がまさに「表面」なのか、それとも「内部」なのか（つまり内部から旅をしてきて表面を突き抜けたのか）は議論の意味がありません。（なぜなら、ブラックホール内部は観測できないから。）

逆にいうと、ブラックホールの強力な重力の起源は内部から飛び出した重力子と考える理由はないのです。

ということで、私は、ブラックホールの作り出す重力場中を、これとは無関係の重力子が通りがかったとして、ブラックホール内部に一度入ったら、やっぱり光と同じで出て来れないと思うのですが、どうでしょう？>専門家の方々

ただ、ちゃんとした議論をしようとすると、重力子同士の相互作用を考えないといけないですよね。ひょっとすると本当に飛び出せるのかも。でもそうなると私の手には負えません（笑）

回答No.3

stomachman

いや、回答じゃないんですが...ナイス質問！
確かに重力を仮想重力子の交換による近接作用と捉えるとそういう話になりそうですよね。これは是非、専門家の皆さんに平易な解説をお願いしたいです。