京大ら,ブラックホールの描像と保存量に新提唱

京都大学と大阪大学は,一般相対性理論発見当初から懸案であった一般の曲がった時空において正しいエネルギーの定義を提唱し,さらにその定義を自然に拡張することで宇宙全体からなる系で,エネルギーとは異なる,別の新しい保存量が存在することを理論的に示した(ニュースリリース)。

アインシュタインが提唱した一般相対性理論においてエネルギーを含め観測される量は,一般座標変換で不変な量でなければならない。ところが,一般相対性理論提唱当初から一般座標変換で不変なエネルギーの定義に困難があった。

その理由は,重力と物質との関係を規定するアインシュタイン方程式において,物質のエネルギーと運動量を表すテンソルが通常の保存則を満たさないため。そこで,その困難を回避しながらエネルギーを計算する様々な試みが行なわれてきたが,理論の大事な柱である一般座標変換不変性を満たしつつ正しいエネルギーを表す方法は無かった。

研究グループは,重力の量子論を研究する過程で一般座標不変なエネルギーの定義を発見した。そしてこの定義をシュワルツシルトブラックホールに適用することで,ブラックホールは特異点に物質が凝縮した超高密度天体である,ということが分かった。

さらにこの定義を自然に拡張することで,よく知られた対称性から導かれる保存量とは異なる保存量が宇宙のような全体からなる系に存在することを発見した。一様等方宇宙の場合に熱力学第一法則を再現することからこの保存量がエントロピーを表すのではないかと推論した。

この発見は,ブラックホール,中性子星,重力波,暗黒物質など天文学や宇宙物理学における様々な研究に大きな影響を与えるだけでなく,現代物理学の双璧をなす一般相対性理論と場の量子論の理解に革新をもたらすもので,そのさらなる応用や実験を含めた既存の結果との比較が重要になってくるという。

研究グループは,その議論が重力理論の専門家だけに閉じることなく,基礎物理学の研究に関わる多くの研究者によってなされることを期待するとしている。

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