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ブラックホールの驚くべき世界：なぜそのエネルギーは消えるのか？
広大な宇宙では、ブラック ホールがその神秘的で強力な重力で無数の物質と光を引き寄せます。科学と技術の絶え間ない進歩により、天文学者はブラック ホールについての理解を徐々に深めてきましたが、物理学者を悩ませ続けている問題が 1 つあります。それは、ブラック ホールはどのようにしてエネルギーを失うのかということです。この質問には、ブラック ホールの性質と密接に関係している負のエネルギーの概念が含まれています。
負のエネルギーは、重力場やさまざまな量子場の効果など、特定の場の特性を説明するために物理学で使用される概念です。
重力エネルギーとブラック ホール
重力エネルギーまたは重力位置エネルギーとは、重力場内にあるために巨大な物体が持つ位置エネルギーを指します。古典力学では、2 つ以上の質量間には常に重力位置エネルギーが存在します。エネルギー保存則によれば、この重力場のエネルギーは負でなければならないため、物体が無限に遠い場合、その値はゼロになります。 2 つの物体が互いに近づくと、重力によってその運動が加速され、その結果システムの正のエネルギーが増加します。
ポジティブなエネルギーが支配する宇宙では、最終的には大きな崩壊に陥りますが、ネガティブなエネルギーが支配する「開いた」宇宙では、無限に拡大するか、最終的には崩壊します。
ブラックホールの回転とエネルギー変換
古典的な回転ブラック ホールの場合、その回転により事象の地平線の外側に「エネルギー蛍光体」と呼ばれる領域が形成され、そこで時空も回転し始めます。これはフレーム ドラッグとして知られる現象です。この領域では、粒子のエネルギーが負のエネルギーに変換される可能性があります。つまり、キルニン ベクトルの相対論的回転の下でです。負のエネルギー粒子が事象の地平線を越えてブラックホールに突入すると、エネルギー保存則によれば、同量の正のエネルギーが逃げなければなりません。
ペンローズ過程では、物体は 2 つの部分に分裂し、一方は負のエネルギーを得てブラック ホールに落ち、もう一方の部分は同量の正のエネルギーを得て脱出します。
量子場の効果における負のエネルギー
負のエネルギーと負のエネルギー密度も場の量子理論ではかなり一貫しています。量子論では、不確定性原理により、仮想の粒子と反粒子のペアが真空中に自発的に出現し、短期間存在することが可能になります。一部の仮想粒子は負のエネルギーを運ぶことがあり、この特性はいくつかの重要な現象で重要な役割を果たします。
カシミール効果では、2 つの平板間の間隔によって量子粒子が存在できる波長が制限され、その結果、仮想粒子ペアの数と密度が減少し、負のエネルギー密度が生じます。
ブラックホールの放射とエネルギーの消失
ブラック ホールの事象の地平面の横で、仮想粒子ペアの一部がブラック ホールに吸い込まれ、この吸い込みにより粒子の 1 つのエネルギーが負になる可能性があります。正の粒子は逃げてホーキング放射を形成する可能性がありますが、負のエネルギー粒子の存在はブラックホールの正味のエネルギーを減少させます。これは興味深い現象を引き起こします。時間の経過とともに、ブラック ホールはゆっくりとエネルギーを放射し、最終的には消滅する可能性があります。
将来の可能性: ワームホールと超光速飛行
一部の理論では、負のエネルギーがワームホールの中核要素であると考えられており、ワームホールは時空的に非常に離れた 2 つの場所を直接接続し、ほぼ瞬時の移動を可能にします。しかし、物理学者の中には、これらの考えは非現実的すぎると考える人もいます。
負のエネルギーの理論原理を利用して超光速 (FTL) 航空機を設計するというアイデアも魅力的です。このアイデアの最も代表的なものは、アルクビエール カプセルです。
これらの理論の探求は、宇宙に対する私たちの理解に挑戦するだけでなく、エネルギー、時間、空間の関係についても再考させます。謎に満ちたこの宇宙では、ブラック ホールと負のエネルギーが科学の進歩を推進し続けていますが、私たちは依然として根本的な疑問に直面する必要があります。ブラック ホールをどこまで理解しているのか?
