ブラックホールのダイナミクスを熱力学で説明できる可能性 (Dynamic black holes explained by simple thermodynamics?)

2026-07-02 ペンシルベニア州立大学(Penn State)

米国ペンシルベニア州立大学(Penn State)の研究チームは、これまで平衡状態のブラックホールにしか適用できなかったホーキングのブラックホール熱力学則を、形成・合体・蒸発など時間とともに変化する動的ブラックホールへ拡張する新たな理論を提案した。従来は事象の地平面の面積がエントロピーの指標とされてきたが、この考え方は将来の時空構造に依存するため、成長や蒸発を続けるブラックホールには適用が難しいという問題があった。研究チームは、ブラックホールのスピンやエネルギーとより直接結び付いた新しいエントロピーの定義を導入し、非平衡状態でも熱力学第二法則を一貫して記述できる可能性を示した。この理論により、ブラックホールの合体や蒸発などの動的過程を熱力学の枠組みで統一的に理解できる道が開かれ、一般相対性理論と量子力学を結ぶ量子重力理論の発展にも重要な手掛かりを与える成果と期待される。本研究成果はPhysical Review Lettersに掲載された。

ブラックホールのダイナミクスを熱力学で説明できる可能性 (Dynamic black holes explained by simple thermodynamics?)
Illustration of a black hole that is growing in response to an influx of energy.
Credit: Jonathan Shu and Daniel Paraizo / Penn State. Creative Commons

<関連情報>

ブラックホールの熱力学:平衡状態から遠く離れた場合 Thermodynamics of Black Holes, Far from Equilibrium

Abhay Ashtekar, Daniel E. Paraizo, and Jonathan Shu
Physical Review Letters  Published :24 June, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/3c1r-v8f1

Abstract

As in thermodynamics, the celebrated first law of black hole mechanics relates infinitesimal changes in the properties of nearby equilibrium states of black holes (without reference to any physical process that causes the transition). Using dynamical horizon segments (DHSs), we extend the first law to encompass black holes that can be arbitrarily far from equilibrium. It now refers to finite changes that occur due to physical processes. This extension, together with the generalized second law on DHSs [A. Ashtekar and B. Krishnan, Dynamical horizons and their properties, Phys. Rev. D 68, 104030 (2003)], naturally lead one to identify entropy of dynamical black holes with the area of DHSs.

1701物理及び化学
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