ブラックホールが生まれる直前、「時空は結晶」になる――時空結晶の数式化に成功

オーストリアのウィーン工科大学（TU Wien）とドイツのフランクフルト・ゲーテ大学（GU）の研究によって、空間と時間そのものが「結晶」のように規則正しい模様を描き、そこからブラックホールが生まれる ── その不思議な瞬間を、人類が初めて数式で書き下すことに成功しました。

ブラックホールというと、巨大な星の死から生まれる怪物のような姿を思い浮かべるでしょう。

ところが理論物理は、星の死とは関係なく、時空が”凍る”ようにブラックホールが生まれるルートを予言してきました。

1993年からコンピューター画面ではその姿が見えていたのに、誰一人として数式に落とし込めなかった、30年来の難問です。

研究チームは「これまで解析的に分析できなかったブラックホール関連現象を研究するための、新しい手法が得られた」と述べています。

時空が「結晶」になるとは、いったいどういうことなのでしょうか？

そして時空結晶はどんなふうにブラックホールへと変わるのでしょうか？

研究内容の詳細は2026年5月12日に『Physical Review Letters』にて発表されました。

目次

• ブラックホールには、2つの生まれ方がある
• 時空結晶を数式化することに成功
• 『時空の結晶』の正体──そしてブラックホールへの分かれ道
• ブラックホールの見方が、少しだけ変わった

ブラックホールには、2つの生まれ方がある

私たちが普段ニュースなどで見かけるブラックホールは、太陽の何倍もある巨大な星が燃料を使い果たし、自分自身の重さに耐えきれずに崩壊することで生まれます。

中心部がギューッと押しつぶされ、ついには光さえ逃げ出せないほどに重力が強い領域ができあがる ── これが、いわゆる「恒星質量ブラックホール」です。

ところが、理論物理の世界には、もう一つのブラックホールが住んでいます。

それが、宇宙初期にできた可能性がある原始ブラックホール ── 極小サイズのものも考えられる、もう一つのブラックホールです。

こちらは星の死とは関係ありません。

宇宙が誕生した直後、超高密度・超高温だった頃に、ちょっとした物質の密度の偏りが、ある臨界値を超えて重力崩壊を起こす ── このようにして原始ブラックホールが時空にポコッと生まれたのではないか、というのが最も広く議論されてきたシナリオです。

そして今回の論文がスポットライトを当てているのは、その「臨界値を越える、まさにその瞬間」に時空で何が起きているのか、という、より奇妙な描像のほうなのです。

その瞬間には、ほんのわずかなエネルギーの差で、時空がもとの姿に戻るか、それともブラックホールへと崩れていくかが決まる「臨界状態」と呼ばれる特殊な状態が現れると考えられています。

論文の著者であるダニエル・グルミラー氏（ウィーン工科大学）は、この状況を氷の結晶でたとえ「摂氏0度の水を考えてみると、ほんのわずかな変化で水は凍り始める。すると、水分子は自発的に規則的なパターンに整列し、氷の結晶を形成する」と述べています。

時空においても、これとよく似たことが起こりうる ── つまり、ほんのちょっとのきっかけで、空間と時間そのものが”凍り始める”瞬間がある、というのが、研究チームの主張です。

そういう意味では臨界状態とは「分かれ道に立ったときの時空の特殊な姿」と言うこともできるでしょう。

そしてこの「一瞬の姿勢」が、なんと規則正しい繰り返し模様を見せるらしいのです。

この発見のキッカケは、30年以上も前に行われた演算にありました。

・1993年、計算機の中に現れた”奇妙な繰り返し模様”

1993年、一人の物理学者がコンピューターの中で、その奇妙な生まれ方の予兆を捕まえました。

カナダの物理学者マシュー・チョプトゥイクは、ある計算をコンピューターに任せていました。

彼が知りたかったのは、ブラックホールが生まれるかどうかの「ギリギリ」を再現したら、いったい何が起こるのかということです。

ブラックホールができるパラメーターと、できないパラメーターの、ちょうど境界。

坂道の頂上のボールを、本当にバランスがとれるそのポイントに置いてみたら ── 計算機は、何を映し出すのか。

「1993年という、まだスマホもない時代に、そんな計算ができたのか？」と思うかもしれません。

確かに当時のコンピューターは現代の感覚でいえばかなり貧弱な性能でした。

最高性能のマシンさえ、スマホの足元にも及ばないレベル、と言ってもよいくらいです。

そこでチョプトゥイクは計算機にやらせる仕事を思い切って単純化し、「ある場所に、エネルギーの塊（波の山のような場の配置）を置いてみる。それが自分自身の重力でぎゅっと中心に集まっていったとき、どうなるかを見守る」という部分にフォーカスして演算を行いました。

宇宙全体ではなく、宇宙のたった一点を中心に、まんまるい”エネルギーの塊”の動きだけを追いかけるわけです。

これだけ単純化すれば、1993年のコンピューターでも扱えました。

するとブラックホールができるかできないかギリギリの強さの時に、奇妙としか言いようのない構造が見えてきました。

時空の濃淡（曲がり方）が、まるで規則正しい結晶のように、空間と時間のなかで繰り返し模様を作っていたのです。

しかも、その模様には不思議な性質がありました。

ズームしても、ズームしても、同じパターンが何度も繰り返し現れるのです。

これは、雪の結晶や海岸線が、近づいて見ても遠ざかって見ても似たような形を保つあの性質と、よく似ています。

スケールを変えても模様が崩れない、いわば「入れ子構造」のような幾何学的構造です。

ちなみにチョプトゥイクの1993年の原論文では、この入れ子模様には、はっきりとした「縮尺の比率」があることも報告されていました。

一段階内側にズームするごとに、次に現れる模様の大きさは、前の模様の約31分の1。

マトリョーシカ人形でいえば、内側の人形は前のサイズの31分の1、その内側はさらにそのまた31分の1 ── それが永遠に続いていく、めまいがしそうな入れ子構造なのです。

そして、研究者たちはこの繰り返し模様を、「時空の結晶」と呼ぶようになりました。

もちろん、宇宙空間にダイヤモンドのような固い結晶が浮かんでいるわけではありません。

並んでいるのは原子や分子ではなく、「時空の曲がり方」そのものです。

アインシュタインの一般相対性理論によれば、質量やエネルギーがあると時空は曲がります。

その「曲がり方の濃淡」が、空間と時間のなかで規則正しく繰り返している ──そしてそれがブラックホールになるかならないかの「臨界状態」で出現するというのです。

ところが、ここからが厄介でした。

この「時空の結晶」、計算機の中ではくっきり見えるのに、人間が紙と鉛筆で書ける”数式”として表すことが、どうしてもできなかったのです。

画面の中で確かに動いているのに、紙の上では捕まらない。

これは物理学者にとっては大変な不快感を伴う事態です。

なぜなら、計算機の中の現象は「結果」として観察できても、「なぜそうなるのか」「どんなルールに従っているのか」が、根本的にはわからないままだからです。

例えるなら、目の前に見たことのない料理が出てきて、見た目も匂いも食感もわかるのに、レシピだけがどうしても手に入らない、というような状況です。

何が起こっているのかは見える。

でも、なぜ起こっているのかは分からない。

素人考えでは、シミュレーションができるのなら、その答えを紙と鉛筆で書ける数式に起こすのも簡単そうに思えます。

でも、シミュレーションが出してくれるのは、あくまで『値の山』であって、『数式のかたちをした答え』ではないのです。

加えて数式にする場合にはブラックホールを支配するアインシュタイン方程式をベースにする必要がありましたが、これが問題でした。

アインシュタイン方程式は、なめらかに広がる時空を描くのは得意でも、時空結晶のように”入れ子の中にまた入れ子”が無限に続いていく繊細な構造を、紙の上できれいに書き表すのは、恐ろしく難しい性質を持っているからです。

それから30年以上、世界中の物理学者がこの「時空の結晶」のレシピを書き起こそうと挑戦してきましたが、誰一人としてうまくいきませんでした。

しかし今回、時空結晶を描く数式がついに発見されました。

時空結晶を数式化することに成功

2026年、ついに ── 物理学者たちのもとに、一通の「答え」が届きました。

3人の研究者からなるチームが、ブラックホールになるギリギリで現れる「時空の結晶」を数式で表すことに、ついに成功したと発表したのです。

注目すべきはその手法です。

普通、こういう難問を解くときには、問題をなるべく単純化して取り扱う次元などを減らしていくのがセオリーです。

難しい要素を切り捨てて、扱いやすい形にして攻めるというのは、受験問題だけでなく先端数学でも同じです。

ところが今回のチームが選んだのは、その逆の発想でした。

研究チームは、ブラックホールが生まれる「時空の結晶」の方程式を、わざわざ次元数がものすごく大きい架空の宇宙で書いてみたわけです。

普通に考えれば、次元を増やせば増やすほど計算は複雑になりそうです。

1次元の直線より2次元の平面、平面より3次元の立体のほうが扱いにくい ── 直感的にはそうなるはずです。

ところが、次元の数を「無限大に近い大きさ」まで持ち上げると、なぜか方程式がスッキリ単純な形に化けてしまったのです。

嘘のようですが、近年になって物理学の世界では次元数を大きくする手法（ラージD展開）がじわじわ注目を集めていました。

次元を大きくすると、1つ1つの次元の影響度のようなものは、全体から見て小さくなっていきます。

物理の方程式というのは、こういう「小さな数」を一つ手に入れると、急に扱いやすくなる場合があるのです。

難しい部分を「これは小さい数なので、まずは無視しちゃおう」と棚に上げて、シンプルな骨格だけを取り出すことができるからです。

つまり研究チームは、「次元数をわざと巨大にすることで、人為的に”小さな数”を一つ作り出した」わけです。

そして、その小さな数を頼りに方程式を解いてみたところ ──

あれほど30年間誰にも解けなかった「時空の結晶」が、最低次の近似のレベルでは、たった一つの時間の関数 β(τ) で驚くほどシンプルに書けてしまったのです。

β(τ) = cos(2πτ) + sin(6πτ) / 15.9476

研究チームのクリスティアン・エッカー氏（フランクフルト・ゲーテ大学）は、こう述べています。

「私たちの宇宙は4つの次元、つまり3つの空間次元と1つの時間次元から成り立っています。しかし原理的には、5次元、42次元、あるいは無限次元といった、より多くの次元に対応する物理方程式を書き出すことを妨げるものは何もありません」

無限次元の架空の宇宙という、現実離れした遠回りをすることで、4次元の私たちの宇宙について新しいことを言える ── こういう道筋を見つけてくるのが、理論物理学者の腕の見せどころなのです。

そして研究ではこの「無限次元バージョン」で得られたシンプルな解を、少しずつ補正を加えながら、より現実に近い次元の世界に翻訳していきました。

最初の近似（LO：最低次の近似）→ 次の補正（NLO）→ さらに次の補正（NNLO）と段階的に精度を上げていけば、大きいが有限の次元での特徴を、少しずつ取り込めることが論文では示されています。

そして核になる最低次の数式は、次のようなものでした。

物質： Π(τ, x) = β(τ) / √(1 + β(τ)² × x²)
時空の曲率：Ω(τ, x) = β(τ)² / (1 + β(τ)² × x²)
結晶の輪郭：f(τ, x) = √((1 + β(τ)² × x²) / (1 + β(τ)²))

数式を理解する必要はありません。

ですがこの別々のものを現わした3つにどれも「1 + β(τ)² × x²」という、まったく同じ表現が、共通していることが重要なのです。

これは、物質も時空も、結晶の境界も、共通の”設計図”を持って同期して踊っていることの、数学的な現れです。

一つのリズム源 β(τ) が、物質の揺らぎ方も、時空の曲がり方も、結晶の輪郭も、すべてを同じ骨格で決めている ── これが今回の論文が見つけた、時空結晶の正体だったわけです。

研究チームのフロリアン・エッカー氏は、「私たちの手法は驚くほど安定していることが分かりました。必要な精度に応じて、追加の近似法を用いて数式を体系的に改善することができます」「これにより、これまで解析的に分析できなかったブラックホール関連現象を研究するための、新しい手法が得られます」と述べています。

なお、論文の謝辞でグルミラー氏は、1999年にウィーンで開かれた「臨界崩壊セミナー」で、ペーター・アイヒェルブルクら先輩研究者たちが自分にこの分野への興味を植え付けてくれた、と感謝の言葉を綴っています。

約27年越しの「答え合わせ」でもあるわけです。

長らく「シミュレーション画面の中にしか存在しなかった」時空の結晶に、はじめて”設計図”のようなものが書かれたわけです。

『時空の結晶』の正体──そしてブラックホールへの分かれ道

普通の結晶 ── ダイヤモンドや雪の結晶は、原子や分子が規則正しい配列を作っている状態です。バラバラに動いていた水分子が、0℃を境にきっちり並んで氷の結晶になる。これが、私たちが日常的にイメージする「結晶」です。

一方、「時空の結晶」では、並んでいるものが原子でも分子でもありません。

並んでいるのは、空間の曲がり方そのものです。

時空がぎゅっと曲がった「濃い部分」と、ふんわり緩んだ「薄い部分」が、規則正しく繰り返して現れる ── これが「時空の結晶」と呼ばれる現象の正体です。

ただし、ここからが普通の結晶と決定的に違うところです。普通の結晶では、濃い部分と薄い部分が 空間の中で隣り合って並んでいます。でも時空の結晶では、濃い部分と薄い部分が 「ズームの倍率を変えるたびに」交互に現れるのです。

ブラックホールができる寸前の時空に、なぜ規則的な繰り返しが現れるのでしょうか。

論文の数式は複雑ですが、本質は3つの事実の組み合わせで説明できます。

① 2つの「傾向」が互角にせめぎ合っている

ブラックホールができる寸前 ── つまり「臨界状態」では、2つの傾向がほぼ互角にぶつかり合っています。

ひとつは、重力で中心に集まろうとする傾向。波として広がっているエネルギーが、重力に引かれて中心にぎゅっと集中していこうとする方向です。

もうひとつは、波として外へ広がろうとする傾向。波の性質を持つエネルギーは、放っておけば自分から外に外にと広がっていきます。

「集まって、ブラックホールを作ろう」とする重力と、「広がって、ブラックホールを作らせまい」とする波。この2つが、ほぼ完全に互角でぶつかり合う瀬戸際の状態 ── これが臨界状態の正体です。

ちょうど、坂道の頂上にぴったり置かれたボールを思い浮かべてください。少しでも右に傾けば谷（ブラックホール）へ、少しでも左に傾けば平地（散逸）へ転がります。

② 互角の拮抗が、繰り返しのパターンを生む

ここがいちばん大事なポイントです。

「拮抗している」と聞くと、ピタッと止まっているイメージがあるかもしれません。ですが、実際にはシステムは動き続けています。

重力で波が中心に引かれる → 集まりすぎて反発が起き、外に広がる → また重力で引き戻される ── これが、ちょうど「振り子の往復」のように繰り返されるのです。

エネルギーが集まったときには時空が「濃く曲がり」、エネルギーが広がったときには時空が「薄く緩み」ます。だから、この振り子のような往復が、そのまま 時空の「濃い→薄い→濃い→薄い」というパターン として刻まれていくのです。

ただ普通の振り子と決定的に違うところがあります。

普通の振り子は、いつも同じ間隔で行ったり来たりします。時計の秒針がチクタクチクタクと等間隔に動くように。

ところが時空結晶の「振り子」は、1回振動するたびに、次の振動が前の31倍も速くなるという、加速する振り子なのです。

最後には事実上ゼロになって、「ブラックホール誕生の瞬間」に向かって消えていく ── これが時空結晶の振動の、奇妙な姿です。

③ なぜ「31倍ごと」なのか ── 長さの『ものさし』がない世界

ここから先は、すこし人間の直感を超える話になります。

このシステム ── 質量ゼロの場とアインシュタイン方程式の組み合わせ ── には、不思議な性質があります。

「ものさし」が存在しないのです。

普段の物理現象には、たいてい何かしらの「基準の長さ」が内蔵されています。原子なら原子の大きさが決まっているし、光なら波長が決まっている。「これくらいのサイズで起きる現象」と言える基準があります。

ところが、臨界状態のシステムには、そういう基準が一切ありません。

長さの基準がないということは、起きる現象には 「特別なサイズ」が存在しない ということです。だから、ある大きさで一度起きたパターンは、別の大きさで再び姿を現すことになる。

ただし ── ここが面白いところですが ── このシステムでは、その繰り返しが完全に滑らかに連続するのではなく、「31倍」というはっきりした倍率で起こります。1段ズームすると同じパターンが現れる、もう1段ズームすると同じパターンが現れる、というように、階段を一段ずつ降りるような飛び飛びの繰り返しになるのです。

これは マトリョーシカ人形にとてもよく似ています。一番外側の人形を開けると、31分の1のサイズの人形が出てくる。それを開けると、さらに31分の1の人形 ── と、同じ姿が決まった倍率ごとに、無限に入れ子になっている。

論文が示した「時空の結晶」も、まさにこの構造です。

3つを組み合わせると ──

1.重力と波の傾向が互角に拮抗 → 「ぎりぎりの瀬戸際」が生まれる
2.拮抗の中で起きる振り子のような往復 → 「濃い→薄い→濃い→薄い」のパターンが時空に刻まれる
3.長さの基準がない世界で、31倍ごとに繰り返す → そのパターンが、マトリョーシカのような飛び飛びの入れ子構造として、永遠に続いていく

この3つが組み合わさることで、「時空の濃淡が、ズームを変えるたびに31倍ごとに繰り返し現れる」── 普通の結晶よりも遥かに不思議な「時空の結晶」の構造が、ブラックホール誕生の瀬戸際にだけ姿を現すのです。

では、なぜそれがブラックホールに化けるのか？

まず最初に言えるのは、時空結晶は坂道の頂上のボールのように、極めて不安定な”中間状態”という点です。

研究チームのダニエル・グルミラー氏も、「この時空結晶は非常に特異で魅力的な物体です。これは一種の中間状態であり、2つの異なる方向に進化する可能性のある不安定な点です」と述べています。

2つの方向、とは何か。

ひとつは、踊りがほどけて、もとのなめらかな時空に戻る道。

物質と時空が、お互いに手を離す。

リズムが崩れ、何事もなかったかのように、自由に動く粒子を残した通常の時空へ戻っていく。

坂道のボールが、わずかに左に転がって、もとの平地に着地するイメージです。

もうひとつは、わずかなエネルギーが加わって、踊りが崩れ、ブラックホールへ向かう道。

リズムを刻んでいた物質と時空が、そのリズムを保てなくなる。

手をつないでいた二人が、勢いあまって中心へなだれ込んでいく ── そうして、一気に重力崩壊が始まり、ブラックホールが生まれる。

坂道のボールが、わずかに右に転がって、向こう側の谷へ落ちていくイメージです。

ここで決定的に重要なのは、この分かれ道のスイッチが、ほんのわずかなエネルギーの違いで切り替わってしまうということです。

水が0℃で凍るかどうかが、ほんのわずかな温度差で決まるように。

坂道頂上のボールが、左に転がるか右に転がるかが、ほんのわずかな風で決まるように。

時空結晶も、ほんのわずかなエネルギーの追加で、「もとに戻る」か「ブラックホールになる」かが決まる ── そういう、宇宙の運命を分ける一瞬の姿だったのです。

もちろん「これで時空結晶の存在が明らかになった」と断言はできません。

今回の研究は理論物理学の成果であり、現実世界で時空の濃さがシマシマになっている状態からブラックホールが生成される様子が直接確認されたわけではありません。

また論文では、本研究で扱った具体例において、NNLOまで含めた場合に解が破綻なく成り立つには、おおむね52次元程度が下限と報告されています。

私たちの4次元宇宙からは、まだだいぶ遠い場所にある”完成形”だ、ということになります。

ただし、と研究チームは続けます。

研究では、最初の近似から段階的に補正を加えていけば、徐々に有限の次元の世界 ── つまり、私たちの宇宙の状況に近づいていく道筋が示されています。

つまり、「無限次元のおとぎ話」から「私たちの4次元宇宙」へどこまで翻訳できるかを調べる作業が、ようやく始められる状況になったわけです。

これは理論宇宙論にとっても、嬉しい進展になりそうです。

そして、この時空結晶のような入れ子構造の臨界状態については、これまで数値結果を解析的に見通す道具が限られていました。

ですが今回、その道具が手に入りました。

こうした臨界崩壊の描像も、これからは原始ブラックホール形成を考える理論モデルを洗練する手がかりの一つになるかもしれません。

さらに今回の結果は、ブラックホールの見え方を変える切欠になります。

ブラックホールの見方が、少しだけ変わった

ブラックホールというのは、長らく「宇宙の終点」のイメージで語られてきました。

なんでも吸い込んでしまう穴。

光さえ逃げられない場所。

すべての情報が消えてしまうように見える、宇宙の最果て。

けれど、今回の研究が示してくれたのは、それとは少し違う姿です。

ブラックホールは、宇宙にいきなり開いた「穴」ではないのかもしれません。

水と氷はどちらも同じH₂Oが、違う”相”として現れた姿でした。

それと同じように、なめらかな宇宙と、ブラックホールも、もしかしたら同じ”宇宙の組み立て”の異なる姿なのかもしれないのです。

（※より厳密には「2次相転移」と呼ばれる臨界現象との数理的な近さです（1995年の小池・原・足立らの研究でも示されています）。

そして、その二つの姿のちょうど切り替わり目に現れるのが、今回数式で記述された「時空結晶」── つまり「凍りかけの宇宙」だった、ということになります。

水が氷になる直前、分子と分子の配置関係が、そろそろ”これから凍る隊形”を組み始める瞬間があります。

ブラックホールが生まれる直前にも、それと同じように、物質と時空が手をつないで”これからブラックホールになる隊形”を組む瞬間があるのかもしれません。

今回の研究は、その一瞬を ── 30年以上、誰も紙の上に書き留められなかったその一瞬を ── ようやく数式という「設計図」として描き出すことに成功しました。

おそらく、これからの理論研究では、この設計図を手がかりに、宇宙の始まりにあったかもしれない極小ブラックホールの姿が、もう一度議論されていくことになりそうです。

そのささやかな相転移と、宇宙の最も極端な存在であるブラックホールの誕生が、根っこに似た数理構造を共有しているかもしれない ── そう思うと、なんだか身近な台所と、宇宙の彼方が、ちょっとだけ近く感じられるのではないでしょうか。

ブラックホールは、私たちが思っていたほど”よそ事”ではなかったのかもしれません。

参考文献

Tiny Black Holes: Crystals of Space and Time
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news/winzige-schwarze-loecher-kristalle-aus-raum-und-zeit

元論文

Analytic Discrete Self-Similar Solutions of Einstein-Klein-Gordon at Large 𝐷
https://doi.org/10.1103/qgl5-5l3t

ライター

川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。

編集者

ナゾロジー 編集部