物理学物語（大人向け）

スティーブン・ホーキング：ブラックホールの謎と宇宙の終焉に迫った探求

Tags: スティーブン・ホーキング, ブラックホール, ホーキング放射, 一般相対性理論, 量子力学, 宇宙論

はじめに

物理学の歴史には、困難な状況に立ち向かいながら、宇宙の深遠な謎に挑んだ偉大な探求者が数多く存在します。その中でも、20世紀後半から21世紀初頭にかけて最も広く知られた物理学者の一人が、スティーブン・ホーキング博士です。彼は筋萎縮性側索硬化症（ALS）という難病と闘いながらも、ブラックホールや宇宙論といった、宇宙の根源に関わる問題に精力的に取り組み、私たちの宇宙観に大きな変革をもたらしました。

この記事では、スティーブン・ホーキング博士の人生を簡潔にたどり、彼の主要な業績であるブラックホール研究、特に「ホーキング放射」の概念に焦点を当てます。その発見が当時の物理学にどのような影響を与え、現代の科学技術や私たちの宇宙に対する理解にどう繋がっているのかを探ります。

スティーブン・ホーキングという物理学者

スティーブン・ウィリアム・ホーキングは1942年、イギリスのオックスフォードで生まれました。大学時代にALSを発症し、徐々に身体の自由を失っていきましたが、彼の知性は衰えることなく、むしろ宇宙の謎への探求心を一層燃え上がらせました。ケンブリッジ大学で博士号を取得後、同大学の教授を務め、特にニュートンがかつて就いていたルーカス記念講座教授の職に長く留まりました。

身体的な制約がありながらも、彼は思考と数式を駆使して物理学の最前線を切り開き続けました。その研究対象は主に、アインシュタインの一般相対性理論が予言するブラックホールと、宇宙全体の歴史や構造を扱う宇宙論でした。

特異点定理とブラックホールの存在証明

ホーキング博士の初期の重要な業績の一つは、ロジャー・ペンローズ卿との共同研究による「特異点定理」の証明です。1960年代、ブラックホールは一般相対性理論の解として数学的に存在しうることは知られていましたが、実際に宇宙に存在するのか、もし存在するならその内部はどうなっているのかは不明瞭でした。

特異点定理は、重力崩壊によって形成されるブラックホールの中心には、時空の曲率が無限大になる「特異点」が必然的に存在することを示しました。これは、私たちの知っている物理法則が破綻する点であり、宇宙の始まりであるビッグバンもまた、同様の特異点から始まったと解釈できます。この定理は、ブラックホールの存在を理論的に強固に支持し、宇宙論におけるビッグバン宇宙モデルの信頼性を高めました。

当時の物理学では、特異点のような概念は「数学的な奇妙さ」として避けられがちでしたが、ホーキングらはそれが一般相対性理論の避けられない帰結であることを示したのです。

ブラックホールは黒くない？ホーキング放射の発見

ブラックホールは、その強力な重力によって光さえも脱出できない天体であると考えられていました。そのため「黒い穴」と呼ばれ、周囲の物質を一方的に吸い込むだけの存在だと認識されていました。しかし、1974年、ホーキング博士は量子力学の視点を取り入れることで、この常識を覆す驚くべき理論を発表します。それが「ホーキング放射」です。

ホーキング放射のメカニズムは、量子力学における「真空のゆらぎ」という概念に基づいています。何もないと思われがちな真空中でも、短い時間スケールでは粒子と反粒子がペアで生成・消滅を繰り返しています。ブラックホールの「事象の地平線」（光さえ脱出できなくなる境界）のすぐ近くでこの現象が起こった場合、一方の粒子がブラックホールに吸い込まれ、もう一方の粒子が地平線の外へ放出されることがあります。

この放出された粒子は、外部の観測者からはブラックホールから放射されているように見えます。エネルギー保存の観点から見ると、これはブラックホール自身のエネルギー（質量）を消費して粒子を放出していることになります。つまり、ブラックホールは完全に「黒」ではなく、わずかに光やその他の粒子を放射しており、質量を失っていくのです。

ホーキング放射の意義と物理学への影響

ホーキング放射の理論は、当時の物理学界に大きな衝撃を与えました。

  1. 相対性理論と量子力学の融合の試み: 一般相対性理論は宇宙のような巨大なスケールを、量子力学は素粒子のような微小なスケールを記述する理論です。ブラックホールの事象の地平線の近くという極限的な環境では、この両方の理論の効果が重要になります。ホーキング放射は、これら二つの理論を結びつけようとする、初期の重要な試みでした。これは現代物理学の最大の課題の一つである「量子重力理論」の構築に向けた一歩となりました。
  2. ブラックホールの「蒸発」: ホーキング放射によって質量を失うということは、ブラックホールが永遠に存在するわけではなく、やがては蒸発して消滅する可能性があることを意味します。これは、ブラックホールの終焉という新たな視点をもたらしました。
  3. 情報損失パラドックス: ブラックホールが蒸発すると、吸い込まれた物質に関する情報はどうなるのか、という深刻な問題（情報損失パラドックス）が生じました。量子力学では情報は失われないとされていますが、ブラックホールが蒸発しきると情報が消滅するように見えるのです。このパラドックスは、量子重力理論が解決すべき重要な問題として、現在も活発な議論が続いています。ホーキング博士自身も晩年までこの問題に取り組みました。

現代科学・技術へのつながり

ホーキング博士の研究は、直接的な工学的応用よりも基礎物理学への貢献が大きいですが、現代の科学技術とは無関係ではありません。

まとめ

スティーブン・ホーキング博士は、身体の自由をほとんど奪われながらも、類まれな知性と粘り強い探求心で、宇宙の最も深遠な謎に挑みました。彼の特異点定理はブラックホールの存在を強固にし、ホーキング放射の発見はブラックホールが一方的に吸い込むだけの存在ではないこと、そして相対性理論と量子力学を結びつけることの重要性を示しました。

ホーキング放射は、ブラックホールが蒸発するという驚くべき結論をもたらし、同時に情報損失パラドックスという現代物理学最大の未解決問題の一つを提起しました。これらの研究は、宇宙の始まりから終焉、そして時空と量子という物理学の根幹に関わる私たちの理解を大きく前進させました。

彼の人生と業績は、知的好奇心と探求心が、いかに困難な状況をも乗り越える力となりうるかを示しています。ブラックホールや宇宙の謎への探求は現在も続いており、ホーキング博士が切り開いた道は、未来の物理学者が進むべき重要な方向を示し続けています。