Once you go in, you don't go out.

一度入ったら出られない。

But beginning with the work of Stephen hawking we realize that.

しかし、スティーブン・ホーキング博士の仕事を皮切りに、私たちはそのことに気づきます。

Don't worry dude you're in this episode a lot.

この回にはたくさん出てくるから安心してね。

We realize that black holes emit radiation they actually glow just a little bit and they eventually dissolve completely disappearing.

ブラックホールは放射線を出していて、実はほんの少し光っているのですが、やがて溶けて完全に消えてしまうことが分かっています。

And this opens up a nasty paradox called the black hole information paradox.

そして、このことは、ブラックホール情報パラドックスと呼ばれる厄介なパラドックスを引き起こす。

What happens to all the information that flows into a black hole after it disappears?

ブラックホールに流れ込んだ情報は、ブラックホールが消滅した後、どうなるのでしょうか？

The full answer relies on a complete description of quantum gravity which which we don't have.

その答えは、量子重力の完全な記述に依存しているのですが、私たちはその記述を持っていないのです。

Yeah, okay let's take a step back in Einstein's theory of relativity.

そうだ、じゃあアインシュタインの相対性理論に一歩踏み込んでみようか。

Black holes are extraordinarily simple objects.

ブラックホールは非常にシンプルな天体です。

You just need three.

3つでいいんです。

Only three numbers to completely describe any black hole.

たった3つの数字で、どんなブラックホールも完全に表現できる。

You need to know its mass, its electric charge and its spin and that's it.

質量と電荷とスピンがわかればいいんです。

And then the black holes themselves are extraordinarily simple.

そして、ブラックホールそのものは、極めて単純なものです。

There's a singularity at the center which is a point of infinite density and also the subject of another episode and then it's surrounded by an event horizon.

中心には無限の密度を持つ特異点があり、別のエピソードの題材にもなっていますが、その周囲を事象の地平線が取り囲んでいます。

That is the boundary, the entrance to the roach motel.

そこが境界線であり、ゴキブリモーテルの入り口である。

But that event horizon is even more boring than you think it might be.

しかし、その事象の地平線は、あなたが思っている以上につまらないものなのです。

Take a look at this water.

この水を見てください。

Where is the point of no return.

どこまでが限界なのか。

It's not the waterfall itself.

滝そのものではありません。

It's somewhere upriver.

上流のどこかです。

There's a place on the river where the flow is too strong for you to be able to fight against the current that is the event horizon.

川の上では流れが強すぎて、事象の地平線という流れに逆らえない場所があるんです。

That is the point of no return.

そこが勝負どころです。

And this shows us how boring event horizons really are.

そして、このことは、イベントホライズンがいかに退屈なものであるかを教えてくれる。

They don't look any different from any other part of the river, you only discover them when you try to escape.

川の中の他の場所と何ら変わりはなく、逃げようとした時に初めて発見できる。

But Stephen Hawking found that event horizons are anything but boring.

しかし、スティーブン・ホーキング博士は、事象の地平線が決して退屈なものではないことを発見しました。

There's a weird interaction happening there between the event horizon itself and the quantum fields that surround it in this interaction gives rise to the emission of particles particles that have a temperature black holes.

事象の地平線そのものと、それを取り巻く量子場の間で奇妙な相互作用が起きていて、この相互作用によって、温度を持つブラックホールの粒子が放出されるのです。

Whoa!

うわっ！

And that's really messed up.

それが、本当にメチャクチャなんです。

So let's go to the chalkboard to check this out.

では、これを確認するために黒板に行ってみましょう。

Stephen Hawking's result was extraordinary and honestly counterintuitive.

ホーキング博士の結果は、並外れたものであり、正直言って直感に反するものでした。

Who knew that that black holes, the ultimate bottomless pits of destruction would glow would have a temperature.

ブラックホールという究極の破壊の底なし沼が光るとは、誰が想像できただろう。

And this temperature is something that we can, if we can calculate Hawking's formula for the temperature of a black hole is simply temperature is equal to the reduced plank's constant H, which is Planck's constant, divided by two pi times the speed of light cubed, divided by eight pi.

この温度は、ブラックホールの温度に関するホーキング博士の公式を計算すれば、温度は、プランク定数Hを2πで割って、光速の3乗を8πで割ったものに等しいことがわかります。

Newton's gravitational constant times the bolts men, constant times the mass of the black hole.

ニュートンの重力定数にボルトマン、定数にブラックホールの質量をかけたもの。

This is telling us that the temperature of a black hole is incredibly small because the mass of a black hole, even the smallest black holes have a massive a few times that of the sun.

これは、ブラックホールの質量が、どんなに小さなブラックホールでも太陽の数倍の質量があるため、ブラックホールの温度がとてつもなく小さいことを物語っているのです。

Makes this a very very big number.

これは非常に大きな数字になります。

Which makes temperature a very, very small numbers.

つまり、気温はとてもとても小さい数字なのです。

So this is incredibly, incredibly small.

だから、これは信じられないほど小さいんです。

We're talking a typical black hole emitting, you know, like one or 2 photons a year.

典型的なブラックホールで、1年に1〜2個の光子を放出するようなものです。

But it's not zero.

しかし、ゼロではありません。

Now black holes emit radiation through this this crazy complex quantum mechanical process.

ブラックホールは、このような複雑な量子力学的プロセスによって放射線を放出するのです。

Any kind of radiation has a has a spectrum has a structure.

どんな種類の放射線にもスペクトルがあり、その構造があります。

But to describe the radiation emitted by a black hole, I need some sort of inspiration.

しかし、ブラックホールが発する放射線を表現するためには、何らかのインスピレーションが必要なのです。

A lightbulb moment, if you will.

光明が差す瞬間とでもいうのでしょうか。

Thank you.

ありがとうございます。

All right, This is an old school incandescent light bulb and the kind of radiation the spectrum of radiation emitted by this light bulb is something we call black body radiation.

これは昔の白熱電球で、この電球から出る放射線の種類は、黒体放射と呼ばれるものです。

Now, lightbulbs aren't the only thing in the universe to have blackbody spectrum of human bodies emit radiation with a similar spectrum of the sun, emits radiation with the same spectrum.

さて、宇宙で黒体スペクトルを持つのは電球だけではありません。人体は太陽と同じようなスペクトルの放射線を出しており、同じスペクトルの放射線を出しているのです。

And so do black holes.

そして、ブラックホールも同様です。

Let's say we have a very cold object.

例えば、とても冷たい物体があるとします。

Very cold objects have a blackbody spectrum of a flux versus wavelength.

非常に冷たい天体は、フラックス対波長の黒体スペクトルを持つ。

That looks something like this.

それは次のようなものです。

Very hot objects have a similar kind of spectrum, but it's shaped more like this.

非常に高温の天体も同じようなスペクトルを持ちますが、もっとこのような形をしています。

It's it's pickier and then it goes down like this.

それはそれはピチピチと、こうして落ちていくのです。

Any object in the universe that emits as a black body radiator.

宇宙で黒体放射体として発光している天体。

We'll have something looking like these curves, including black holes.

ブラックホールも含めて、このような曲線のようなものができあがります。

That's one of the most remarkable things about Hawking's result is how simple the radiation emitted by black holes really is.

ホーキング博士の結果で最も注目すべき点は、ブラックホールから放射される放射線がいかに単純なものであるかということです。

It's this crazy complex quantum mechanical process that leads to a simple equation for the temperature And then a well known spectrum that we've we've known about for over a century.

複雑な量子力学的プロセスが、温度に関する簡単な方程式を導き出し、100年以上前からよく知られているスペクトルを導き出すのです。

But that simplicity makes black holes even more confusing because this is the exact place where the paradox comes in?

しかし、その単純さが、ブラックホールをさらに混乱させる。なぜなら、ここがまさにパラドックスになる場所だからだ？

Because the blackbody radiation emitted by a black hole doesn't carry any information.

なぜなら、ブラックホールから放射される黒体放射は、何の情報も持っていないからです。

It's very boring actually.

実際、とてもつまらないんですよ。

So let's say you you make one black hole made out of, I don't know a potato.

例えば、ジャガイモでできたブラックホールを1つ作ったとしましょう。

All right, and you make another black hole made out of a plant.

よし、植物でできたブラックホールをもう一つ作ろう。

Yeah.

そうですね。

So we've got two black holes, one is made out of potatoes and one is made out of plants, a lot of potatoes and a lot of plants.

つまり、2つのブラックホールがあって、1つはジャガイモでできていて、もう1つは植物でできていて、たくさんのジャガイモとたくさんの植物でできているんです。

But you get the idea.

でも、おわかりいただけたでしょうか。

There's a lot of information in this plant and in this potato and it's locked up in the black hole.

この植物にも、このジャガイモにも、たくさんの情報が詰まっていて、それがブラックホールに閉じこめられている。

But then the black hole starts radiating and they have the exact same mass.

しかし、ブラックホールが放射を開始すると、両者はまったく同じ質量を持つようになるのです。

They have the exact same temperature.

温度はまったく同じです。

There's exact same blackbody radiation.

全く同じ黒体放射があるんです。

There's no information carried away.

情報が流されていない。

I don't know which one is the potato black hole and which one is the plant black hole.

どれがジャガイモのブラックホールで、どれが植物のブラックホールなのかわからないんです。

But as they radiate, they lose mass and eventually they disappear.

しかし、放射線を出すと質量が減り、やがて消えてしまいます。

So where did the information go?

では、その情報はどこに行ったのでしょうか？

What happened to that?

それはどうしたんですか？

This is the paradox.

これがパラドックスです。

So let's talk to an expert to dig into this mystery a little bit more.

そこで、この謎をもう少し掘り下げるために、専門家に話を聞いてみよう。

I am dr moya McTeer, I am an astrophysicist of folklorist and the science communicator.

私はモヤ・マクティア博士で、宇宙物理学者、民俗学者、科学コミュニケーターです。

Well, let's talk about space and we're talking about black holes, the universe makes stars and some stars turn into black holes.

さて、宇宙の話をしましょう。宇宙は星を作り、ある星はブラックホールになります。

How does that happen?

どうしてそうなるのですか？

How do you go from this giant ball of radiation and light and warmth to a black hole black holes can form in a few different ways, astronomers are still trying to figure out how the very first early big black holes formed, we call these primordial black holes.

ブラックホールは、いくつかの異なる方法で形成されますが、天文学者は、最初の大きなブラックホールがどのように形成されたかを解明しようとしています。

But the most common way for black holes to form is through the life cycle of stars.

しかし、ブラックホールができる最も一般的な方法は、星の一生を通じたものです。

So you have a star that's massive enough, let's say it has to be about 40 times more massive than our sun by the time it runs out of all of the hydrogen in its core, something called hydrostatic equilibrium breaks.

例えば、太陽の40倍以上の質量を持つ星があったとして、その星のコアにある水素をすべて使い果たすと、静水圧平衡が崩れるのです。

So the way that stars work is that they're constantly imbalance between gravity crushing in and the pressure that you get when you have nuclear fusion pushing out and when you stop using hydrogen in your core, you lose the outward pressure so gravity forces the star to collapse in on itself.

つまり、星は重力で押し込まれ、核融合で押し出される圧力のバランスが常に崩れている状態なのです。

And then there's this rebounding effect that creates a supernova explosion.

そして、このリバウンド効果で超新星爆発を起こすのです。

So in the explosion a lot of the material from the star gets flung out from the system.

そのため、爆発によって星の物質の多くが系外に飛び出してしまうのです。

But what's left if it's dense enough or if it's massive enough is a very dense black hole.

しかし、十分な密度がある場合、あるいは十分な質量がある場合に残るのは、非常に密度の高いブラックホールなのです。

These are small black holes.

これは小さなブラックホールです。

They're called stellar mass black holes only a few times more massive than our sun.

太陽の数倍しかない恒星質量ブラックホールと呼ばれるものです。

But if you get enough of them together, then they can grow into a bigger black hole.

しかし、それがたくさん集まれば、より大きなブラックホールに成長することができるのです。

How many black holes are we talking about in a galaxy?

銀河系にいくつのブラックホールがあるのだろう？

12, maybe 10.

12か、10か。

We have one supermassive black hole in the Milky Way galaxy, but there are tens of thousands of these smaller stellar mass black holes in the Milky Way alone and there are hundreds of billions of Galaxies.

天の川銀河には超巨大ブラックホールが1つありますが、このような恒星質量の小さなブラックホールは天の川銀河だけで何万個もあり、銀河は何千億個もあるのです。

So there are lots of black holes out there in the universe.

だから、宇宙にはブラックホールがたくさんあるんです。

You mentioned the supermassive black hole in the center of the Milky Way, How do you get something to be super massive?

天の川銀河の中心にある超巨大ブラックホールの話が出ましたが、どのようにして超巨大なものができるのでしょうか？

And I think in a lot of space contexts, astronomers are still trying to figure out how these really massive black holes form, but we are pretty sure that at least regular supermassive black holes, not these like hyper massive ones that they form through galactic collisions because a lot of Galaxies, most Galaxies have black holes at their centers and that's just another effect of gravity.

しかし、少なくとも通常の超巨大ブラックホールは、超巨大ブラックホールとは異なり、銀河の衝突によって形成されることは間違いありません。

This really heavy thing is going to sink towards the center of the galaxy and when these Galaxies collide, so do their black holes after many millions of years of spinning in towards each other.

この本当に重いものは、銀河の中心に向かって沈み、これらの銀河が衝突するとき、何百万年も互いに回転していたブラックホールも同じように沈みます。

When you get all of these black holes colliding, then their masses add up.

ブラックホールをすべて衝突させると、その質量が加算されます。

So you get a super massive one in the center.

中央に超巨大なのが出てくるわけです。

These black holes, they just sit there minding their own business and they don't do anything else, right?

このブラックホール、ただ座って自分の仕事をしているだけで、他には何もしないんですよね？

Oh, I wish well it actually is a common misconception that black holes suck things into them and they do have very strong gravitational pools but they aren't like vacuums actually suctioning stuff in.

ブラックホールが物を吸い込むというのはよくある誤解で、確かに非常に強い重力プールを持っていますが、実際に物を吸い込む掃除機のようなものではありません。

It's just a gravity well it is a pit for stuff to fall into.

ただの重力井戸......つまり、ものが落ちる穴なんです。

If we look at the anatomy of a black hole, there's the black hole in the center and the edge of the black hole was called the event horizon after the event horizon.

ブラックホールの解剖学的構造を見ると、中心にブラックホールがあり、ブラックホールの端は事象の地平線の後で事象の地平線と呼ばれていました。

If the black hole is massive enough and active enough, it has something called an accretion disk.

ブラックホールが十分な質量と活動性を持っていれば、降着円盤と呼ばれるものが存在します。

So this is the disk of material around the black hole that it's eating, its material that has been gravitationally attracted to the black hole and is actively in the process of spinning into this gravity pit.

これは、ブラックホールの周りにある円盤状の物質で、ブラックホールに重力で引き寄せられ、この重力ピットの中で活発に回転している物質なのです。

Sometimes there's enough friction and heat in that accretion disc that it lights up so we can see it.

降着円盤の中で十分な摩擦と熱が発生し、それが光って見えることもあるのです。

That's how we study a lot of black holes or we study their gravitational effect on things around it, like the stars that are orbiting it.

そうやって、多くのブラックホールを研究したり、ブラックホールの周りを回っている星など、周りのものに及ぼす重力の影響を研究しています。

One of the things we're exploring in this episode is hawking radiation.

今回のエピソードで探求していることのひとつに、ホーキング放射があります。

Can you just talk about hawking radiation and how annoying it is?

ホーキング放射線の話とかウザいからやめてくれる？

Yes, I can.

はい、できます。

So we say that black holes are so dense that nothing can escape them unless they're traveling faster than the speed of light.

つまり、ブラックホールは非常に密度が高いので、光速よりも速く移動しない限り、何も逃げられないと言うことです。

But that creates this this paradox because black holes have energy and they can dissipate that energy but if something can escape a black hole, how can it possibly dissipate this energy.

しかし、ブラックホールにはエネルギーがあり、そのエネルギーを散逸させることができるのに、もし何かがブラックホールから脱出できるとしたら、どうやってそのエネルギーを散逸させることができるのか、このパラドックスが生まれます。

Stephen hawking came up with this hypothesis for radiation that gets trapped basically on opposite sides of the event horizon.

スティーブン・ホーキングは、事象の地平線の反対側に捕捉される放射線について、この仮説を提唱しました。

Some gets sucked in some dozen.

あるものは吸い込まれ、あるものはダースとなる。

The stuff that doesn't get sucked in can be radiated away as energy as this Hawking radiation.

吸い込まれなかったものは、このホーキング放射としてエネルギーとして放射されることがあります。

Yeah, I've been thinking a lot about the long term end of the universe and one of the potential ways that the universe could end is in the big freeze.

ええ、宇宙の長期的な終焉についていろいろ考えているのですが、宇宙の終焉の可能性のひとつに、ビッグフリーズがありますね。

This is the scenario where the universe keeps expanding forever long enough that all of the gas gets made into stars and then all of those stars die and they cool off and eventually many, many trillions of years from now.

これは、宇宙が永遠に膨張し続け、すべてのガスが星になり、その星がすべて死んで冷えて、やがて何兆年後かになるというシナリオです。

The only thing left in the universe is black holes after all of the stars have pulled down to dark chunks of rock.

宇宙には、すべての星が引き込まれて暗い岩の塊になった後、ブラックホールだけが残っているのです。

So some scientists have tried to figure out what happens after that.

そこで、その後に何が起こるかを解明しようとした科学者がいます。

How do the black holes lose energy?

ブラックホールは、どのようにしてエネルギーを失っていくのでしょうか？

Because the only way for the universe to really be dead is for there to be no energy in it.

なぜなら、宇宙が本当に死んでしまうには、宇宙にはエネルギーが存在しないしかないからです。

So one way that black holes can lose their energy is through this talking radiation and it would take many, many billions of years.

ですから、ブラックホールがエネルギーを失う方法の1つは、この放射線を話すことであり、それには何十億年もかかるのです。

We're a single black hole to lose all of its energy through Hawking radiation.

ホーキング放射によってエネルギーをすべて失うために、一つのブラックホールになるんです。

But it is theoretically possible.

でも、理論的には可能なんです。

So the ultimate fate of the universe rests in understanding Hawking radiation.

つまり、宇宙の究極の運命は、ホーキング放射を理解することにかかっているのです。

The ultimate fate of the universe in this one potential scenario.

この1つの可能性のあるシナリオで、宇宙の究極の運命を知ることができる。

Thank you moya Yeah, thank you to achieve his result.

モヤさま そうなんです、結果を出してくれてありがとうございます。

Hawking combined our understanding of gravity which is general relativity with our understanding of the very small, which is quantum mechanics, but he only did that in an approximate sense.

ホーキング博士は、一般相対性理論である重力の理解と、量子力学である極小の理解を組み合わせたのですが、それはあくまで近似的な意味でしかありませんでした。

He assumed that the gravity was relatively weak at the event horizon.

彼は、事象の地平面では重力が比較的弱いと仮定していた。

That it didn't couple strongly to the quantum fields that were there.

そこにある量子場と強く結合していなかったということです。

It could be that in a full theory of quantum gravity, something much more complex is happening at the event horizon.

量子重力の完全な理論では、事象の地平面ではもっと複雑なことが起こっているのかもしれない。

Something we call a firewall Now, studio regulations prevented me from having an actual wall of fire to show you what would happen.

ファイヤーウォールと呼ばれるもの さて、スタジオの規定で、実際に火の壁を作ってどうなるかをお見せすることができませんでした。

So instead I'm just gonna smash some eggs.

だから、代わりに卵を割る。

The key idea here is that in physics information is preserved and everything can be traced back to its roots.

ここで重要なのは、物理学では情報が保存され、すべてのものがそのルーツをたどることができるという考え方です。

If I smash this egg, all the information is preserved.

この卵を潰せば、すべての情報が保存される。

If I wanted to I could retrace all the steps of all the molecules and reconstruct the egg?

その気になれば、すべての分子の歩みをたどって、卵を再構築することができるのでは？

It would be extraordinarily difficult, but it wouldn't be impossible.

それは非常に難しいことですが、不可能ではありません。

So what happens in firewall theory is that if this egg were to hit the event horizon it would get obliterated and all its information would be spread across the event horizon and then that information would get tangled up with the Hawking radiation leaking out into space that way, when the black hole disappears, all the information is still there in the universe.

ファイアウォール理論では、もしこの卵が事象の地平線にぶつかったら、卵は消滅し、その情報はすべて事象の地平線の向こう側に拡散します。

And the paradox is resolved a little bit messily.

そして、そのパラドックスは少し雑に解決される。

But but still resolved.

だがしかし、それでも解決した。

You know, this is actually oddly satisfying anyway, we should move on.

あのね、これはとにかく妙に納得してしまったので、先に進みましょう。

Is there someone here to clean it up or it's me.

ここに掃除してくれる人がいるのか、それとも私なのか。

It's me okay.

私よ、大丈夫。

As intriguing as firewall theory is.

ファイアウォール理論が興味深いように。

It does have its shortcomings.

欠点もあります。

Most importantly, we don't actually know how it works, how the information actually gets encoded on the event horizon and how it gets tangled up in the hawking radiation.

最も重要なことは、事象の地平線で実際に情報がどのように符号化され、どのようにホーキング放射に絡め取られるのか、その仕組みを実際に知らないということです。

So it doesn't actually solve the paradox, it just moves it somewhere else.

つまり、パラドックスを解決するのではなく、別の場所に移動させるだけなのです。

But in our studies of black holes we found something very intriguing and that has to do with holograms.

しかし、ブラックホールを研究しているうちに、ホログラムに関係する非常に興味深いことがわかりました。

Yeah, yeah holograms but not the holograms.

そうそうホログラムだけど、ホログラムじゃない。

You're thinking of holographic theory where multi dimensional information is stored on a lower dimensional of the substrate.

多次元の情報を基板の低次元に格納するホログラフィック理論をイメージしているのでしょう。

If you will, we found that when information flows into a black hole its surface area increases in proportion to the amount of information not its volume.

言うなれば、ブラックホールに情報が流れ込むと、その体積ではなく情報量に比例して表面積が大きくなることを発見したのです。

So this is telling us that somehow the information that goes into a black hole is getting stored or encoded on the surface area, not within the bulk of the black hole itself.

つまり、ブラックホールに入った情報は、ブラックホールのバルクの中ではなく、表面積に保存されたり、符号化されたりしていることがわかります。

What is this telling us?

これは何を物語っているのでしょうか。

We're not exactly sure.

正確にはわかりません。

It could mean that a full theory of quantum gravity really only lives in two dimensions, not three or something else.

量子重力の完全な理論が、3次元などではなく、本当に2次元でしか生きられないということかもしれません。

I mean honestly, black holes are just plain confusing.

正直なところ、ブラックホールって分かりにくいんですよね。