ブラックホールの中はどうなっているのか、特異点と情報のなぞ

わかっているPenrose（1965年、Physical Review Letters）[1][2]

星が自分の重さでつぶれ、光も出られない面ができると、その先で「特異点」（密度などが無限大になり、時空が途切れる所）ができるのは避けられないと、数学で示しました。この仕事は2020年のノーベル物理学賞を受けました。

どうやって: 星の形が完全な球でなくても成り立つ、一般的な定理として証明しました。ただし一般相対性理論が正しいとした場合の結論です。ノーベル委員会は特異点を「知られている自然の法則がすべて止まる場所」と説明しています。

有力な仮説Bekenstein（1973年、Physical Review D）[3]

ブラックホールにも「エントロピー」（外からは見えない中の状態がどれだけあるかを表す量）があり、その量は境目の面積に比例すると提案しました。

どうやって: 理論の計算です。熱の法則がブラックホールでも成り立つように考えました。のちにホーキングの計算で裏づけられましたが、観測で確かめたものではありません。

わかっていないHawking（1976年、Physical Review D）[4]

ブラックホールが熱い光（ホーキング放射）を出して蒸発すると、落ちた物の情報の一部は失われ、元の状態を計算で戻せなくなると論じました。量子力学では情報は消えないはずなので、「情報のパラドックス」と呼ばれる問題になりました。

どうやって: 重力は一般相対性理論のまま、まわりの物質だけに量子力学を当てはめて計算しました。重力そのものに量子力学を入れた計算ではありません。

有力な仮説Page（1993年、Physical Review Letters）[5][7]

情報が外に出てくるなら、出ていく光の「乱雑さ」は、蒸発の途中で増えるのをやめて減りはじめるはずだと示しました。この曲がり角を「ページ時間」と呼び、乱雑さがたどる曲線を「ページ曲線」と呼びます。

どうやって: 量子力学のふつうのルールが成り立つと仮定して計算しました。情報は、はじめはとてもゆっくり、ばらばらに出てくるため、細かく見ないと見つからないとも書いています。

わかっていないAlmheiri、Marolf、Polchinski、Sully（2013年、Journal of High Energy Physics）[6]

「情報は光にのって出てくる」「境目の外では今の物理が使える」「落ちる人は境目で何も感じない」の3つは、同時には成り立たないと論じました。いちばん控えめな答えは、落ちた人が境目で燃え尽きる（ファイアウォール）ことだと書いています。

どうやって: 理論の論証です。境目で何も起きないという、一般相対性理論の考えとぶつかるため、大きな議論になりました。

有力な仮説Almheiriら（2021年、Reviews of Modern Physics）[7]

2019年ごろから、出ていく光の乱雑さを計算する新しい方法が見つかりました。その結果はページ曲線と合い、「情報は外に出てくる」ことを支持しています。

どうやって: 研究の流れをまとめた解説論文です。計算は、重力を別の量子の仕組みに置きかえて考えられる、簡単にしたモデルが中心です。本物のブラックホールで同じことが言えるかは、まだ確かめられていません。