宇宙の3つの極端な穴の違いは何でしょうか?ブラックホールは出現しましたが、ホワイトホールやワームホールはどこにありますか?

ブラックホール、ホワイトホール、ワームホールは、いずれも宇宙における特別な極限の存在です。これらに共通するのは、すべて重力によって引き起こされる極端な結果であり、アインシュタインの重力場方程式（場の方程式と呼ばれる）に従っていることです。式は次のとおりです。

この式の導出プロセスは非常に複雑なので、ここでは詳細には触れません。これら 3 つの「穴」はすべて重力場によって生じますが、その特性はまったく異なります。これらの「穴」を個別に理解すれば、それらが正確に何であるか、どこに隠れているかが明らかになります。

簡単に言えば、ブラックホールは物質が極限まで圧縮されたときに生じる奇妙な現象です。理論的には、原子から惑星に至るまで、あらゆる物質は限界まで圧縮することができ、圧力が十分に高ければブラックホールになることができます。このプレッシャーはどれくらい大きいのでしょうか?具体的な値はありませんが、物質をどれだけ圧縮できるかという限界は数式で計算できます。

この式はシュワルツシルト半径の式であり、R=2GM/C^2 と表されます。ここで、R はシュワルツシルト半径、G は万有引力定数、M は物体の質量、C は光速を表します。この式は、アインシュタインが最近発表した一般相対性理論の重力場方程式に基づいて、天体物理学者カール・シュヴァルツシルトによって 1916 年に導き出されました。

この式の意味は、自身の質量のシュワルツシルト半径内に圧縮されたあらゆる物質は奇妙な変化を起こす、ということです。すべての物質は必然的に中心の特異点に落ち込み、シュワルツシルト半径を境界とする球状の空間を形成します。この空間は無限の曲率を持ち、一度この空間に入った物質はもはや逃げることができず、中心の特異点に落ちることしかできず、光も例外ではありません。

このシュワルツシルト半径はどれくらいの大きさでしょうか？式によれば、水素原子の質量は約 1.674*10^-27kg（キログラム）、シュワルツシルト半径は約 2.48*10^-54m（メートル）です。地球の質量は約6*10^24kgで、シュワルツシルト半径は約8.9mm（ミリメートル）です。太陽の質量は約2*10^30kgで、シュワルツシルト半径は約2964mです。

科学者たちは、大型ハドロン衝突型加速器では、光速に近い速度で粒子が衝突し、その巨大な圧力によって原子スケールの微小ブラックホールが生成される可能性があると考えている。この考えはまだ理論上のものであり、そのような小さなブラックホールはまだ捉えられていません。理論的には、ビッグバンの際には多くの微小ブラックホールが残されるはずです。ホーキング放射理論によれば、原子スケールのブラックホールは瞬時に蒸発してしまうため、これまでそのような微小ブラックホールは発見されていない。

宇宙で発見された最小のブラックホールは、太陽の質量の3倍以上です。これらのブラックホールは、巨大な星が死に、その内部で熱核暴走が起こり、超新星爆発を引き起こすことで形成されます。極度の圧力により中心物質が自身の質量のシュワルツシルト半径内に圧縮され、ブラックホールになります。

一般的に、太陽の30～40倍の質量を持つ星は死ぬとブラックホールを直接残すと考えられています。宇宙におけるブラックホールの形成には、質量が臨界点を超えると崩壊する巨大な天体の衝突と集積も含まれます。たとえば、中性子星が降着によってオッペンハイマー限界を超えると、ブラックホールに圧縮されます。

理論的には、ブラックホールの質量はすべて中心核の特異点に集中しており、その特異点は無限に小さいため、ブラックホールは無限に小さい体積、無限の密度、無限の曲率、無限に高い熱を持つと理解できます。これら 4 つの無限大の前提は、体積が無限に小さいということであり、これにより次の 3 つの無限大が出現します。

ブラックホールの曲率は無限大、つまりシュワルツシルト半径の範囲内にあり、その臨界点はブラックホールの事象の地平線とも呼ばれます。いわゆる曲率は、質量によって引き起こされる周囲の時空の歪みであり、重力として現れます。遠距離でも、その重力は万有引力の法則に従います。万有引力の法則は質量に比例し、距離の二乗に反比例し、どの天体の重力とも等しくなります。

ブラックホールのシュワルツシルト半径内の重力は無限大なので、ブラックホールに近づく物質はすべて「食べられ」てしまい、戻る道はなく、ブラックホールはどんどん大きくなります。現在宇宙で発見されている最大のブラックホールはSDSS J073739.96+384413.2と名付けられており、その質量は太陽の1040億倍です。

これはブラックホールの過去と現在の生活です。

中性子星がブラックホールに変化する過程において、中性子星は宇宙で発見されたブラックホールに次いで密度が高い天体です。これらは中質量から大質量の星、つまり太陽の約 8 倍から 30 倍の質量を持つ星です。進化の最終段階で超新星爆発が起こると、星の中心部分には高密度の核が残ります。

この核の半径はわずか10km程度ですが、密度は1億～2億トン/cm^3（立方センチメートル）と高く、表面圧力は10^28気圧に達します。これは地表圧力の330兆倍、太陽中心の圧力の330兆倍にも相当します。

中性子星の質量は、一般的に太陽の質量の約1.44～3倍です。パウリの排他原理によれば、質量が太陽の1.44倍未満のときは中性子星になることはできず、電子の縮退圧によって恒星の形が支えられた白色矮星にしかなれない。一方、中性子星は中性子縮退圧に依存して重力圧を支え、中性子星の形状を維持します。質量が臨界点を超えると、中性子縮退圧が重力圧を支えることができなくなり、中性子星は恒星の形を維持できなくなり、急速に崩壊してクォーク星またはブラックホールになります。

中性子星は重力が非常に大きいため、近くの天体や星間物質を継続的に取り込み、質量を増やし続けるため、より密度の高い天体へと変化していく可能性が高い。

クォーク星はまだ理論上の仮説であり、そのような天体はまだ発見されていません。そのため、中性子星はオッペンハイマー限界を超えると直接ブラックホールに崩壊すると一般に考えられています。オッペンハイマー限界は中性子星探査における臨界質量点です。現時点では、この重要な点に関する正確な結論は出ていません。観測による発見と理論的な計算により、科学界では一般的に、その質量は太陽の2～3倍であると考えています。

ブラックホールは、恒星（またはあらゆる天体）の究極の死体です。つまり、どんな天体でもブラックホールになったときに頂点に達します。

ホワイトホールはブラックホールと正反対の理論上の推測です。それは、アインシュタインの場の方程式に基づいて物理学者が仮説を立てた単なる数学モデルです。現在まで、ホワイトホールは観測によって確認されていません。このモデルの基本的な定義は、ブラックホールは宇宙の物質を継続的に飲み込み、ホワイトホールはその逆で物質を宇宙に継続的に放出するというものです。

理論的には、ブラックホールとホワイトホールはどちらも宇宙における極端な天体です。ブラックホールの重力は無限大であり、ホワイトホールの反発力も無限大です。どちらも境界が閉じています。ブラックホールの事象の地平線に入った物質は消えて二度と戻ってくることはなく、光も例外ではありません。ホワイトホールの事象の地平線はいかなる物質も入ることができませんが、物質は外に出ることはできても中に入れることはできず、光も例外ではありません。

ホワイトホールは理論上存在する仮想の天体に過ぎないため、ホワイトホールの原因についてはさまざまな説があります。その中で、より代表的な見解は、ビッグバンの初めに、不十分で不均一な爆発のために、爆発する時間がなかったいくつかの高密度の原子核が放出されたというものです。これらの放出された高密度の原子核は依然として特異点状態にあるが、爆発は遅れ、爆発するまでに100億年以上遅れるものもあります。このような爆発はホワイトホールです。

クエーサーの中心にある巨大な重力源はホワイトホールです。放出された物質は周囲の物質と衝突し、高エネルギーの放射線を継続的に放出します。

さらに、他のいくつかの観点があります。まず、ホワイトホールはブラックホールの「反転」であり、つまり、ブラックホールが限界まで崩壊すると、反崩壊爆発という質的変化が起こり、それによって内側に蓄積されるエネルギーがコアから外側に噴出するエネルギーに変換されます。第二に、宇宙に正の物質と負の物質があるのと同じように、ホワイトホールとブラックホールは宇宙の正の穴と負の穴であり、一方はエネルギーを放出し、もう一方はエネルギーを吸収するという、反対の特性を持っています。

ブラックホールに吸収された物質は反対側のホワイトホールから噴出するという見方もあり、ブラックホールとホワイトホールをつなぐパイプがワームホールです。ブラックホールとホワイトホールは同じ時空に存在する場合もありますが、遠く離れた 2 つの領域は、正と負の特性が異なる 2 つの時空に存在する場合もあります。

しかし、ワームホールの存在は観測されていないため、これらの理論は今日でも議論の的となっています。では、ワームホールは本当に存在するのでしょうか?それは言いにくいですね。科学的発見の最大の喜びは、理論に基づく予測が最終的に真実であることが確認されることです。このようにしてブラックホールと重力レンズが発見されました。ホワイトホールは発見されるのでしょうか、それとも最終的に否定されるのでしょうか?私も分かりません。

ワームホール ワームホールもアインシュタインの場の理論に基づいた予測です。 「ワームホール」の概念は、1916 年にオーストリアの物理学者ルートヴィヒ・フレイムによって初めて提唱されました。その後、物理学者のアインシュタインとネイサン・ローゼンによって理論が改良されました。そのため、人々はワームホールを「アインシュタイン・ローゼン橋」と呼んでいます。これは時空トンネルとも呼ばれ、遠く離れた 2 つの時間と空間を接続する多次元空間トンネルを意味します。

この時空のつながりは、宇宙誕生直後の銀河や星が誕生したばかりの時代である「赤ちゃん宇宙」につながる可能性が高い。この時空は私たちから138億光年、あるいはそれ以上離れています。

簡単に言えば、ワームホールは高速道路や電車が山を通過するトンネルのようなものです。そのようなトンネルがなければ、山の反対側に行くには山の頂上を登るか、何度も迂回する必要がありますが、トンネルを通ればはるかに近くなります。したがって、ワームホールは宇宙における「近道」または「ショートカット」であると考えられています。この近道を使えば、幼い宇宙に素早く到達するなど、遠く離れた時間と空間を瞬時に移動することが可能になります。目的地に到着するまでの時間は、近道をしない場合に比べて光速を何倍も超えます。

しかし、この「飛躍」は速度を上げるものではなく、単なる「近道」であり、光速度の限界の原理に違反するものではありません。したがって、ワームホール横断は、人類が速度のボトルネックを突破したり、光速の壁を突破したりするための可能な選択肢です。しかし、ワームホールはホワイトホールと同様に、まだ科学的な空想と理論的推測の段階にしか存在していません。それらは現実には存在が確認されていません。将来的にそれらが発見され、利用されるかどうかはまだ不明です。

ワームホールの原因についてはさまざまな理論があります。例えば、前述したように、ブラックホールとホワイトホールの間には物質輸送チャネル、つまりワームホールが存在します。ホワイトホールとブラックホールが衝突するとワームホールが形成されます。

一般的に言えば、ワームホールは巨大な重力場の作用によって形成される時空の渦です。巨大な質量を持つ天体の回転とそれらの相互作用により時空の歪みが生じ、時空の渦やトラップが形成されます。これは、海の中の巨大な渦巻きのようなもので、どこにでも存在しながらも、一瞬で消え去ります。渦によっては、遠く離れた二つの場所を一瞬にして非常に近づけるものもあります。宇宙におけるこのような時空の渦は「ワームホール」と呼ばれます。

ワームホールは不確実で一時的な性質を持つため、たとえ存在が発見されたとしても、それが使用できるかどうかは議論の余地があります。負のエネルギーまたは暗黒物質だけがワームホールの安定性を維持できると信じている人もいます。負のエネルギーと暗黒物質は現時点ではまだ理論上の仮説であり、これらが何であるかは明らかではありません。

したがって、ワームホール旅行は依然として単なる SF または神話であり、今後も神話のままである可​​能性があります。

結論: 上記の紹介から、ブラックホール、ホワイトホール、ワームホールはすべて「穴」ですが、通常の穴ではないことがわかります。実際に穴のようなものと言えるのはワームホールだけで、他の 2 つは一種の特殊な天体です。根本的に言えば、これら3つの「穴」は重力場によって生じる現象、あるいは存在ですが、それぞれ全く異なる性質を持っており、人類の未来に与える影響や効果も異なります。

現在、科学者たちは多大な努力と費用をかけてブラックホールの写真を初めて撮影し、ブラックホールの実在を確認しました。しかし、ホワイトホールやワームホールはまだ理論段階に過ぎず、将来的に発見できるのか、人類が利用できるのかはまだ不明です。

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