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重力の特異点

索引 重力の特異点

重力の特異点(じゅうりょくのとくいてん、)は、概略的には「重力場が無限大となるような場所」のことである。 重力場の量には曲率や物質の密度の量について含んでいる。時空の特異点で重要なのは曲率特異点と円錐特異点である。また、特異点が事象の地平面に含まれているかどうかで分類することが出来る。 一般相対性理論の解または他の重力理論(超重力と呼ばれることもある)はしばしば計量が無限大に発散するような点を結果として与えることがある。しかし、それらの多くの点は実は完全に正則である。さらに言えば、その無限はその点に対して不適切な座標系を用いた結果にすぎない。よってその点が特異点であるかどうか確認する必要がある。 例として、回転していないブラックホールを表すシュヴァルツシルトの解を挙げる。ブラックホールから十分に離れた系の座標系で、事象の地平線での計量は無限大となってしまう。しかしながら、事象の地平線上の時空は正則である。正則性は他の座標系(クルスカル座標系) ではその点の計量が滑らかであることから分かる。一方で、ブラックホールの中心は、同じように計量は無限大となる、解は特異性が存在することを示している。 回転していないブラックホールの特異点は一点に発生する。それは点の特異点と呼ばれる。回転しているブラックホールのカー解では、特異点はリング状に発生する。.

11 関係: 培風館一般相対性理論事象の地平面ブラックホールカー解クルスカル・スゼッケル座標系シュワルツシルト解特異点裸の特異点計量曲率

培風館

株式会社培風館(ばいふうかん)は、理学、工学、心理学などの大学向け教科書を中心とした出版社である。 創業者は山本慶治(1881-1963)。山本は兵庫県の豪農の家に生まれ、1908年東京高等師範学校英語科卒、1910年同教育研究科修了、奈良女子高等師範学校講師。岡本米蔵の紐育土地会社に勤務、その出版部門常務となり、1938年培風館として独立。当初は東京高等師範学校の教科書を刊行していた。1962年その長男の山本俊一(1910-2008、東大工学部卒)が社長となり、67年次男の山本健二(1912-93)が継ぐ。健二の死後その子の山本格が社長となる。.

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一般相対性理論

一般相対性理論(いっぱんそうたいせいりろん、allgemeine Relativitätstheorie, general theory of relativity)は、アルベルト・アインシュタインが1905年の特殊相対性理論に続いて1915年から1916年にかけて発表した物理学の理論である。一般相対論(いっぱんそうたいろん、general relativity)とも。.

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事象の地平面

事象の地平面(じしょうのちへいめん、)は、物理学・相対性理論の概念で、情報伝達の境界面である。シュバルツシルト面や事象の地平線(じしょうのちへいせん)ということもある。 情報は光や電磁波などにより伝達され、その最大速度は光速であるが、光などでも到達できなくなる領域(距離)が存在し、ここより先の情報を我々は知ることができない。この境界を指し「事象の地平面」と呼ぶ。.

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ブラックホール

ブラックホール(black hole)とは、極めて高密度かつ大質量で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない天体である。.

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カー解

ー解(カーかい、)、カー計量()あるいはカー・ブラックホール解とは、一般相対性理論におけるアインシュタイン方程式の厳密解の一つで、真空中を定常的に回転する軸対称なブラックホールを表現している。ニュージーランドの数学者ロイ・カー()によって1963年に発見された。カー計量によって表現される時空には、時間並進と回転に関する2つの等長変換群(アイソメトリ―)が作用する。ペトロフ()による分類によれば、カー計量はDタイプに属する。 すぐ後に、さらに電荷を帯びた カー・ニューマン解()も発見され、角運動量・質量・電荷の3つのパラメータを持つブラックホール解として、その後、一般相対性理論の描く時空の姿の理解に広く使われている。 カー・ブラックホールでは、事象の地平面の外側には、回転の影響により、観測者が一点に留まれないエルゴ領域 (ergo region) と呼ばれる領域が形成される。はるか遠方の観測者から見ると、このエルゴ球のちょうど表面で回転と逆方向に放射した光子は放射した一点に留まっているように見え、球面の内側で回転の逆方向に放射した光子は回転の順方向に引きずられているように見える。(ただしエルゴ領域は事象の地平面の近傍に形成されるため時空が極度に縮んでおり、回転の順方向に放射した光子の速度も平坦な時空の光速度より遅れて見え、見かけの超光速が達成されているわけではない。)また、中心部の特異点は、リング状になっていると理解されている。 ブラックホール脱毛定理 において、すべての現実的なブラックホールは、いずれ、角運動量・質量・電荷の3つの物理量のみを持つカー・ニューマンブラックホールに落ち着くと考えられている。また、「アインシュタイン・マクスウェル方程式での軸対称定常解は、カー・ニューマン解に限られる」というブラックホール唯一性定理 (uniqueness theorem)も存在する。 ホーキング は、重力の孤立系としてのブラックホールを、熱力学と類推することにより、ブラックホール熱力学 を構築した。 そこでは、ブラックホールの面積はエントロピーと対応し、常に増大する量となる(ブラックホール面積定理 )。.

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クルスカル・スゼッケル座標系

ルスカル・セケレシュ座標系、クルスカル・スゼッケル座標系 またはクルスカル座標系は、一般相対性理論において、ブラックホールのシュヴァルツシルト幾何学の座標系である。とにちなみ名付けられた。この座標系の利点は最大限に拡張されたシュヴァルツシルト解全体の時空多様体を含み、物理的な特異点の外側すべての場所でよく振舞うことである。 慣習としてこの記事では計量の符号として(− + + +)を採用し、光速度c.

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シュワルツシルト解

アインシュタインによる一般相対性理論において、シュワルツシルト解(、シュワルツシルト計量 、シュワルツシルト真空 とも)とは、アインシュタイン方程式の厳密解の一つで、球対称で静的な質量分布の外部にできる重力場を記述する。ただし、電荷や角運動量、宇宙定数はすべてゼロとする。この解は太陽や地球など、十分に自転の遅い恒星や惑星が外部の真空空間に及ぼす重力を近似的に表わすことができ、応用されている。名称については、この解を1916年に初めて発表したカール・シュヴァルツシルトに由来する。.

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特異点

特異点(とくいてん、singularity)とは、ある基準 の下、その基準が適用できない (singular) 点である。したがって、特異点は基準があって初めて認識され、「—に於ける特異点」「—に関する特異点」という呼ばれ方をする。特異点という言葉は、数学と物理学の両方で用いられる。.

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裸の特異点

裸の特異点(はだかのとくいてん、)は、一般相対性理論における用語で、事象の地平面 に囲まれていない、時空の特異点である。 通常、ブラックホールの特異点は、光も出て行くことができない空間に囲まれており、その外側にいる我々がその特異点を直接観測することはできない。つまり、特異点の情報は外に伝わらないため、事象の地平面の外側では特異点の存在にかかわらず、物理現象・因果律を議論することができる。それに対して、裸の特異点では、物質密度が無限大となる点あるいは時空の曲率が無限大となる点が、外側から観測することができてしまうことを意味する。 このような無限大の量を含む点が存在すれば、一般相対性理論は破綻するので、理論的に因果関係を予測することができなくなる。一般相対性理論自身の解として特異点が予言されることは事実であるが、はたして裸の特異点が存在するのかどうかが長い間の理論上の問題となっている。ペンローズは、このような裸の特異点は自然界には発生しないだろうと予想して宇宙検閲官仮説 を唱え、特異点は必ず事象の地平面によって隠される、と考えた。 1992年にシャピーロとトイコルスキーによって示された円盤状の塵 (dust) の崩壊のシミュレーションでは、崩壊した軸上の少し外れた点において、曲率は無限大に破綻した。このシミュレーションでは事象の地平線ができなかったので、裸の特異点が形成されたと考えられた。この結果は、宇宙検閲官仮説が破れた例であるといえる。 また、1993年にチョプティックが、ブラックホール形成に対する臨界現象を数値計算で発見した。それによると、球対称時空のスカラー場の重力崩壊においては、ブラックホールが形成されるかどうかの臨界点付近ではスカラー場の初期振幅とブラックホールの質量との間に、冪則の関係があることが示された。この結果は、宇宙検閲官仮説が破れる可能性があることを示唆する。 ホーキングは、キップ・ソーンと「宇宙検閲官仮説」は守られるかどうかで賭けをしていたが、これらのシミュレーション結果を受けて、数年後、負けを認めた(その後、物理的条件をより厳密にした賭けを続けているが)。 現在の理論で裸の特異点が存在するとしても、量子重力理論が完成すれば回避されるのではないか、と期待されている。.

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計量

計量(けいりょう、measuring, measurement)は、.

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曲率

曲率(きょくりつ、)とは曲線や曲面の曲がり具合を表す量である。 例えば、半径 r の円周の曲率は 1/r であり、曲がり具合がきついほど曲率は大きくなる。この概念はより抽象的な図形である多様体においても用いられる。曲面上の曲線の曲率を最初に研究したのは、ホイヘンスとされ、ニュートンの貢献もさることながら、オイラーは曲率の研究に本格的に取り組んだ。その他モンジュ、ベルヌーイ、ムーニエなども研究した。.

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