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今年のノーベル物理学賞は二段仕込み!?

報じられているように、本年のノーベル物理学賞は、

オックスフォード大学ロジャー・ペンローズ氏、
マックス・プランク地球外物理学研究所ラインハルト・ゲンツェル氏、
カリフォルニア大学アンドレア・ゲズ氏

が受賞しました。

キーワードは「ブラックホール」

今年の受賞は、共通テーマで理論と実験の二段仕込みという、
ちょっと珍しいケースとなりました。

宇宙は「こんにゃく」の如し

3人のうち唯一人理論家のペンローズは、
私たちの住むこの宇宙が「こんにゃくのようだ」

‥と言ったわけではありませんが、
ニュアンスとしてはそんなようなことを言った訳です(笑)

どゆこと?

アインシュタインさんがぶち上げた一般相対性理論

この理論は、私たちの住むこの宇宙の時空が「歪む」こと、
そしてこの歪みこそが我々の感じている重力そのものなのだ、
と主張する

「歪みと言われてもねぇ」((+_+))

そこでペンローズさんの登場です。
彼はこの宇宙の時空を
トポロジーと言うもので表現しました。

「と・ぽ・ろ・じぃ」
なんのこっちゃ!?

よーするにこれは、私たちの住むこの宇宙が
「こんにゃく」のように伸びたり縮んだりするものである
ということ。

ただし!これは伸び縮みするだけ!

切れてつなぎ直したり、穴をあけたりはできません。
それがトポロジー。

元々一般相対性理論で解かなければならない方程式は数学的に言うと
「連立偏微分方程式」
という形式で、これは一般に解くのが非常に難しい
なぜか?

まずは空間内での物体の質量やエネルギーの分布、その運動で時空が歪む。
その時空の歪みを計算して、
その歪みの中を物体やエネルギーがどう運動するか
という問題を
計算するのだが、
厄介なことに今求めたその物体の運動そのものによって

時空の歪みが時々刻々変化していく。

その変化を取り入れた歪みを計算しその中での運動をまた計算
‥というような流れを延々行うのです。

要するに物体やエネルギーの運動の仕方と時空のひずみが
互いに結びつき影響しあっているので、
計算が超複雑になってしまう。

このような複雑な一般相対論の宇宙観を
「直感的」に理解できるようにしたのが
ペンローズさんの功績です。

ブラックホールは相対論の必然

さらにペンローズさんはあの車いすの天才・ホーキングと共に
「特異点定理」を証明しました。

宇宙にきらめく星はその生涯の終わりの段階で
その重さに応じた往生の仕方をします。
重い星ほど激しく押しつぶされ「重力崩壊」します。

特異点定理を簡単に言うと、
一般相対性理論が正しい限りにおいて
この重力崩壊が進むとブラックホールが必ず生じますよ、
ということ。

「特異点」とはこのブラックホールの中心にあると想定される物体で
全ての質量が一点に集中しているものです
(ここが一般相対性理論の限界と言われている)。

まあだから、今回の物理学賞はホーキングさんも実質的に受賞対象と言えますね。
他界されているので、受賞とはなりませんが。
ノーベル各賞は一度に3人までと決まっています。
もし御存命だったら、今年の受賞者面々はどう変化していたんでしょうか?(笑)

バケツの論理でブラックホールを見つけ出す

ブラックホールの存在には当初疑いが多く、
一般相対性理論提出直後は
アインシュタインさん自身も含め世の中の学者の多くは
それは数式上の「あや」であり、
実際には存在しないだろう、なんて思っていたようです。

その後の宇宙観測の進展で、
ブラックホールの存在は疑いのないものへと変わっていくわけですが、
ゲンツェルさんとゲズさんの研究グループは
私たちが住むこの銀河系、天の川銀河中心部に
超巨大ブラックホールが存在する決定的証拠を見つけました。

「光も吸い込むブラックホール、どうやって見つけるの?」

はい、その巨大重力の影響を観測します。

突然ですが、
小学生の時、罰としてバケツ持って廊下に立たされたことある人います?

私はありません。
というか、あれ漫画の世界だけなのでは?

‥と、それはともかくそのバケツ、
水を入れて振り回すことを考えましょう。

体を中心に水平に、体ごと回ってもよいし、
こぼさないように勢いつけて、縦に回してもよい。

その時、バケツに入れる水の量を変えて重さを変え、
回す速さも変えてみましょう。
腕にかかる負担、どうなります?

実際にやらなくてもわかりますよね?
そう、腕で感じる重みは

回すのが早いほど、
水の量が多いほど(バケツが重いほど)

強く感じる。

天の川銀河中心部の超々巨大ブラックホール

ブラックホールの周りを星が回っている状況を想像してください。

ブラックホールがあなた、星がバケツ。
腕で感じる重さは、ブラックホールが星をぶん回す、重力の大きさです。

もし重い星が高速で回っているのなら、
それだけ強い重力が働いているの、わかりますよね?

ゲンツェル・ゲズグループは
ハワイにある超高精度天文台を使った観測を行いました。
※ゲズ氏の論文では日本のすばる望遠鏡のデータも貢献している

その結果、天の川銀河の中心部では
太陽よりも重い星々がいくつも
太陽系くらいの狭い範囲に押し込められ、
なおかつ高速である点の周りを周回していることがわかりました。

それらの重さや速さから計算するとなんと!
天の川銀河中心部には太陽の400万倍の質量をもつ
超々巨大ブラックホールが存在することが分かったのです。

400倍じゃないよ、400万倍!

一般にブラックホールは太陽の30倍以上の質量で生成します。
このブラックホールがどんだけけた違いに大きいか、分かりますね?

宇宙のミステリアスな実像、想像を超える世界の一端を
彼らの研究は見せてくれたのですね。

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