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実験室で疑似的ブラックホールを作り出し、光の放射現象を観測。ホーキンス博士の理論の正しさが証明される

カラパイア


 ヨーロッパの物理学者による学際的研究チームは、数学的モデルを利用し、実験室で疑似的なブラックホールを作成することに成功した。

 「一列に並んだ原子の鎖」を利用してブラックホールの事象の地平面をシミュレーションした結果、「ホーキング放射」に相当する光の放射現象を観測したそうだ。

 このシミュレーションは、それぞれの分野では正確にこの世の物理を記述しながらも、なぜか相容れない「一般相対性理論」と「量子力学」との緊張を解決するヒントになる可能性があるそうだ。

ブラックホールは光を放射すると唱えたホーキング博士

 マクロの世界を正確に予測する「一般相対性理論」と、ミクロの世界を正確に予測する「量子力学」はなぜだか仲が悪い。

 一般相対性理論は、重力を連続した時空の湾曲として記述する。一方、量子力学では確率を用いて、離散的な粒子の振る舞いを記述する。

 普遍的な量子重力の統一理論を作り出すためには、仲違いしたままの2つの理論をうまく調和させてやる必要がある。

 そこで登場するのが、宇宙でもっとも奇妙かつ過激な天体「ブラックホール」だ。

 ブラックホールは光すら逃げられない超重力を持つ天体だ。ところが、ここに量子力学的な効果を加えると奇妙なことが起こる。わずかだが光ると考えられるのだ。

 ブラックホールが放つ巨大な重力のせいで、一定の距離内に近づいてしまえば、光ですらも脱出できなくなる。その境界のことを「事象の地平面」という。

 光すら脱出できないのだから、ブラックホールは完全な闇だと思うかもしれない。ところが、車椅子の天才ホーキング博士によれば、そうではないのだという。

 彼が1974年に提唱した仮説によると、事象の地平面が量子の揺らぎに干渉し、光の粒子が発生する。これによって熱的な放射が起きるのだ。これを「ホーキング放射」という。

ゆがんで回転するブラック ホールのシミュレーション / image credit:Yukterez/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

実験室でブラックホールを作りホーキング放射を検証

 仮にこのホーキング放射が実際にあったとしても、今のところ検出されていないし、今後もされないかもしれない。あまりにも微弱だからだ。

 だが実験室で擬似的にブラックホールを作り出せれば、現実のホーキング放射を調べることもできるだろう。

 今回、オランダ、アムステルダム大学のロッテ・メルテンス氏らの研究チームが考案したのも、そんなモデルの1つだ。

偏光レーザーパルスをガラスのブロックに向けて発射し、ブロックの側面からホーキング放射を放出するひずみを作り出す(挿入図)。レーザーで作られた歪みがガラスの中を移動し、光を閉じ込める / image credit: DANIELE FACCIO

 このモデルでは、一次元の原子の鎖を、電子がある位置から別の位置へと”ホップ(跳ねる)”する経路として利用する。

 この跳ねやすさを調整すると、特定の性質が消失する。これを電子の波動的性質に干渉するある種の「事象の地平面」とみなせるのだという。

 そして、この模擬的な事象の地平面の影響によって、同等のブラックホールから理論的に予測されるものと同じ温度上昇が生じたそうだ。

 また、これは原子の鎖が事象の地平面をまたいでいる場合に限られるとのことだ。このことは、事象の地平面をまたぐ粒子のもつれが、ホーキング放射に関係しているということなのかもしれない。

photo by iStock

重力と量子を研究する新たな機会

 なお、このホーキング放射のシミュレーションは、特定のホップ振幅の範囲にあり、かつ時空が「平ら」と想定した場合のみ熱的に有効であるとのこと。

 このことは、ホーキング放射が熱的なのは、条件の範囲内で、重力による時空のゆがみに変化がある場合のみである可能性を示唆しているそうだ。

 これが量子重力に対して持つ意味合いもよくわからない。

 だが本モデルを利用することで、ブラックホール形成の荒々しいダイナミクスに左右されない状況において、ホーキング放射の出現を研究することができる。また非常にシンプルなモデルなので、さまざまな実験に応用できるとのことだ。

 このモデルは「さまざまな凝縮系において、重力や曲がった時空間に沿った量子力学の基本的な側面を探求する場をもたらしてくれる」のだそうだ。

 この研究は、『Physical Review Research』(2022年11月8日付)に掲載された。

References:Physicists Create Black Hole ‘Light’ in Lab | Science | AAAS / Scientists Simulated a Black Hole in The Lab, And Then It Started to Glow : ScienceAlert / written by hiroching / edited by / parumo

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