科学者たちは、制御された環境で光から小型のブラックホールを作り出すことに成功し、ホーキング放射の物理学に関する画期的な発見を発表した。 7 月 1 日にジャーナル Nature に掲載されたこの研究は、宇宙で最も興味深い現象の 1 つについて前例のない洞察を提供します。
物理学者らは初めて、ブラックホールの最も有名な発光を光ファイバーのフィラメントから抽出し、その光が発生源となった模擬ブラックホール内でどのように反応するかを直接観察した。
この研究により、研究者はホーキング放射、つまりスティーブン・ホーキング博士がブラックホールから発せられるはずだと予測した微弱な熱放出について、まれで直接的な理解を得ることができる。さらに、この発見は、研究チームが新しい論文で詳述しているように、理論的に本物のブラックホールを徐々に蒸発させる最小の衝撃を初めて示すものである。
得られたデータは、光がホーキング博士の予測どおりに動作すること、つまり、定義された温度と、より高い周波数に向かって徐々に減衰するスペクトルを持つ、加熱された物体の輝きのように動作することを実証しました。これは、教科書に載っている従来のブラックホールの説明が不適切であると考えられる条件下でも発生しました。
実験における主要な物理理論の収束
ホーキング放射は、現代物理学の最も壮大な概念の交差点にあることで有名です。
イスラエルのワイツマン科学研究所の物理学者でこの研究の共著者であるウルフ・レオンハルトが説明したように、ジェイコブ・ベッケンシュタインはブラックホールにはエントロピーと温度があると予想し、スティーブン・ホーキング博士は後にブラックホールが放出する熱放射を計算した。レオンハルト氏は、ホーキング・ベケンシュタイン放射では、量子物理学、一般相対性理論、熱力学が融合すること、つまり通常の条件下ではしばしば対立する領域が融合することを強調した。
一般相対性理論は空間と時間を流動的かつ連続的な実体として記述するのに対し、量子力学は不連続で予測不可能なジャンプの宇宙を描くため、この矛盾は深刻です。現在まで、これら 2 つの観点を完全に調和させることができた理論はありません。
この複雑な相互作用こそが、ホーキング放射の研究を非常に困難なものにしているのです。天文学者は、本物のブラックホールからのホーキング放射を直接観察したことがないし、その輝きは宇宙の距離では検出できないほど微弱であるため、今後も観察しない可能性が高い。このため、物理学者は同じ方程式に従う実験室の類似物を使用し、移動する水、超低温の原子、そしてこの研究のように光からブラック ホールのシミュレーションを作成します。
光を使って模擬ブラックホールを作成する方法
ブラック ホールのアナロジーの背後にある基本原理は、移動する媒体にあります。レオンハルトが例証したように、「泳ぐことができるよりも強い流れの海で泳いでいる人を想像してみてください。彼は押し流されてしまいます。これはまさに事象の地平線の向こうで起こっていることであり、ブラックホールから逃れることはできないのはこのためです。」
ブラックホールの事象の地平線は帰還不能点であり、空間自体が他のものよりも速く移動します。この状態を再現するには、チームは光の速度での変位をシミュレートするマテリアルを必要としました。発見された解決策は独創的でした。光そのものを使用してこの「マテリアル」を作成しました。
光学用途では、光の速度で動いているように見える材料が不可欠です。レオンハルト氏は、この目的を達成するには、非線形光学において光が物質と同様に動作するように、光自体が使用されると説明しました。
実際に、研究者らは、フォトニック結晶ファイバー（長さに沿って小さな空気チャネルを持つガラスフィラメント）に強力な超短「ポンピング」パルスを放射した。この機能により、光の伝播方法を正確に調整できます。パルスが進むにつれて、ガラスの屈折が微妙に変化し、高速で移動する一種の移動バリアが生成されました。次に、はるかに弱い2番目の「探査」パルスが、この移動する前線と衝突しました。探査パルスが追いつかなくなった時点で、人工地平線が形成され、ブラック ホールの類似物が生じました。
発光の観測とブラックホールへの影響
重要な発見は紫外線領域で起こりました。この理論は、ホーキング放射はペアで生成されると主張しています。一方の粒子はなんとか逃げ出すことができますが、「負の」エネルギーを運ぶもう一方の粒子はその反射であり、本物のブラックホールに飲み込まれることになります。ファイバーの実験では、このパートナーは紫外線として現れました。
レオンハルトは、地平線の彼方のホーキング博士のパートナーに対応する紫外領域の光子が数えられたと詳しく説明した。彼は、それらの波長は約 233 ナノメートルであり、それが検出された信号であると報告しました。
輝きがどのように生成されるかを理解することは、それを観察することと同じくらい重要でした。研究者らは長年、ファイバーがホーキング放射を、放射が出現する前に複数の光変換ステップを伴うカスケードプロセスを通じて生成したと推測していた。しかし、チームは、ポンピングパルスとプローブパルスが1つのクリーンなステップでホーキングペアを生成するという、単一の直接相互作用がこのプロセスの原因であることを発見しました。これは非常に単純なモデルであり、研究者らは他の類推に拡張でき、最終的には本物のブラック ホールにも拡張できると述べています。
エネルギーはどこかから来ているはずなので、ホーキング放射の放出はそれを発生させた源に影響を与えるはずです。本物のブラックホールの場合、この影響は質量の損失、そして想像を絶する時間スケールでの完全な蒸発という形で現れます。これはホーキング博士が 1974 年の画期的な論文で説明したプロセスです。現在まで、この後退を記録できた実験はありません。
この実験では、チームはそのような効果を観察することができました。放射線の生成により、ポンプ パルスからの光のごく一部がわずかに異なる色に変化し、スペクトルに明白な非対称パターンが残りました。この非対称性は、これまでの研究では見られなかったが、逆反応または反跳の特徴である。ブラックホールが自らの明るさのためのエネルギーコストを微妙に「支払う」のに似ている。
量子ブラックホール物理学の次のステップ
この研究結果は、ブラック ホール物理学における最も複雑な謎の 1 つであるトランス プランク問題にも取り組んでいます。ホーキング放射をその起源までたどることで、計算は物理学者が保証できない領域、つまり空間と時間が従来の意味を失い、既知の物理学がすべて存在しなくなると信じられている無限小次元であるプランクスケールに入る。言い換えれば、ホーキング博士の予測は明らかに不安定な基礎の上に成り立っているということだ。
レオンハルト氏は、地平線から遠ざかる光は激しく散乱すると説明した。したがって、物理学が未知の自然界の最小スケールよりも小さい波から発生する必要があります。問題は、これでもホーキング放射が発生するかどうかでしたが、研究チームは実験でその疑問に答えました。注目すべきことに、グローはこの極端な状況でもその熱特性を維持しました。
チームの次の目標は具体的です。これまで、彼らはホーキング放射のスペクトルを再現する従来のレーザー光を使用してきましたが、そのより深い量子複雑さは再現しませんでした。次のステップは「量子の世界に参入する」ことだとレオンハルト氏は語った。彼らは、量子領域に到達する方法を調査し、エンタングルメント（逃げるホーキング粒子を失われたパートナーと結び付ける謎めいたつながり）のような現象を観察することを計画している。
