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オックスフォード大学での 1972 年の講義で、William Unruh という名前の若い物理学者が聴衆に、魚が滝を飛び越えて悲鳴を上げる様子を想像するように求めました。この架空のカスケードでは、水が非常に速く落下するため、途中のある時点で音速を超えます。魚がこの地点を過ぎて転倒した後、水は音波が上に伝わるよりも速く叫び声を下に掃き出し、魚は上の川の仲間に聞こえなくなります.
ブラックホールに落ちたときも同様のことが起こる、とウンルー氏は説明した。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、これらの超高密度の物体の 1 つに近づくと、空間と時間の構造はますます湾曲します。これは、重力を強めることに相当します。 「事象の地平線」として知られる後戻りできないポイントでは、時空間の湾曲が非常に急になり、信号が外の世界に到達できなくなります。事象の地平線内では、光でさえブラック ホールの重力によって捕らえられ、ブラック ホールは見えなくなります。
Unruh の講演に続く数年間で、ブラック ホール (現代物理学の 2 つの柱である一般相対性理論と量子力学が出会い、パラドックスで崩壊する場所) は、「量子重力」の包括的な理論を探求する中で、あいまいさからライトモティーフへと浮上しました。 」一方、Unruh の音響アナロジーは、彼が最初に考えていたよりもうまく機能することが判明しました。 1981 年の重要な論文で、彼は、彼の滝のような系におけるブラック ホールの事象の地平線と音の地平線 (現在は音速のブラック ホールと呼ばれています) が同一の方程式で記述できることを示しました。それらの「驚くべき数学的類似性」を考慮して、バンクーバーのブリティッシュ コロンビア大学の教授である Unruh は最近、次のように述べています。>
研究者たちは、実際のブラック ホールに関する手がかりを得るために、音速ブラック ホールの物理学の調査を開始しました。そして近年、彼らは実験室で音のブラック ホールを作成し始め、ますます高度なアナログ実験を考案しています。昨年の夏、イスラエルのハイファにある Technion の Jeff Steinhauer は、究極の発見を報告しました。それは、1974 年に Stephen Hawking によって予測された仮説上のブラック ホール現象である Hawking 放射の音響アナログの検出です。
ブラックホールが熱を放射し、最終的に完全に蒸発するというホーキングの予測は、深遠な「情報のパラドックス」を引き起こします。ホーキングの計算は、この情報が失われ、本質的にブラック ホールに入ると宇宙から漏れることを示唆しています。その場合、情報を宇宙の基本的な不滅の通貨として扱う量子力学の枠組みを放棄しなければなりません。しかし、ほとんどの物理学者が信じているように、情報が保存されている場合、ホーキングの予測は間違っており、量子重力理論の課題は、彼の論理の欠陥を明らかにすることです。カリフォルニア大学バークレー校の理論物理学者で、ホーキング博士の弟子だった Raphael Bousso 氏は、情報のパラドックスは「量子重力を理解するために直面する必要がある問題を鋭くしました」と述べています。
その重要性にもかかわらず、ホーキングの計算を直接テストすることはできません。実際のブラック ホールからの放射は微弱すぎて検出できません。したがって、音速のブラック ホール (この場合、音の地平線から外側に放射される音の量子単位) における類似の効果の測定は、長年の疑問を頭に浮かび上がらせます。より具体的には、スタインハウアーの調査結果はホーキングの計算を間接的に検証し、情報がブラック ホールで失われることを証明していますか?
「コミュニティの誰もが『わあ、素晴らしい実験だ!』と言っています」と、スコットランドのエジンバラにあるヘリオットワット大学の物理学者で、アナログ ブラック ホールも研究している Daniele Faccio 氏は述べています。 「しかし、多くの人が『それはどういう意味ですか?』と言っていると思います」
一部の研究者は、スタインハウアーの実験でホーキング放射の間接的な証拠を見ています。先月オンラインに投稿された論文の中で、イギリスのブリストル大学の物理学者から哲学者に転身したカリム・テボーは、「アナログのブラックホールは、天体物理学のブラックホールの「代役」と見なすことができる」と主張しました。他の人は赤いニシンを見ます。ハーバード大学の理論物理学者であるダニエル・ハーロウは、この実験を「ブラック ホールについては何も教えてくれない」「エンジニアリングの面白い偉業」と見なしました。
どちらの解釈が正しいかという問題は、42 年前のホーキング博士の計算が宇宙について何を明らかにしたかにかかっています。
驚いたことに、彼はブラック ホールが黒くないことを示しました。ランダムな量子ジッターがそれらを輝かせます。時空のあらゆる場所で、「仮想」粒子のペアが常に発生し、相互に消滅しています。ホーキング博士は、これらのペアがブラック ホールの地平線にまたがって発生すると、仮想粒子の 1 つが吸い込まれ、パートナーが逃げることで、相互の破壊が防止されることに気付きました。逃れた粒子は実体となり、アップグレードに必要なエネルギーをブラック ホールの重力場から奪います。一方、落下する粒子は負のエネルギーを獲得し、ブラック ホールのエネルギーを低下させます。このように、一度に 1 つの放射粒子が放射され、ブラック ホールは存在しなくなり、最終的に痕跡を残さなくなります。ホーキングの計算は、放射が「熱」であり、崩壊した星に関する詳細をエンコードしない、特徴のないランダムなエネルギーの広がりで構成されることを示しました。ブラックホールを形成したもの、またはそこに落ちた可能性のあるその他の興味深いものについて。
そこにパラドックスがあります。量子力学によれば、宇宙内の粒子のすべての可能な状態の確率は、宇宙の過去の状態が現在の状態から巻き戻すことによって原則として常に一意に決定できるように進化する「単一性」を尊重する必要があります。しかし、ブラック ホールがホーキング放射の特徴のないガスに蒸発するときに情報が失われると、現在から宇宙の過去を収集することができなくなり、量子力学は崩壊します。
あるいは、ホーキング博士が間違っていたのかもしれません。
彼の計算を行うために、彼は重要な仮定を行いました。それは、一般相対性理論によって説明されるように、ブラック ホールの地平線では時空が滑らかで連続的であるということです。物理学者は、これは概算であると考えています。アインシュタインの時空の連続体を十分に拡大すると、より基本的な量子形式の重力が出現します。しかし、「特異点」として知られるブラック ホールの超高密度中心の近くでは、量子重力が確実に重要になりますが、ホーキングは、重力が比較的穏やかな地平線での量子ゆらぎの説明で、この短距離物理学を大まかに説明できると想定していました。 .一般相対性理論によれば、典型的な超大質量ブラック ホール (多くの銀河の中心にあるものなど) の地平線では、時空の勾配は十分に緩やかであり、宇宙飛行士がそこを通り過ぎても気付かないほどです。
1981 年、Unruh は、ホーキングの近似スキームが流体にも適用できることを発見しました。時空のように、流体は大規模なスケールでは連続的に見えますが、深部では個別の原子でできています。 Unruh は、粒子のペアが時空の内外で変動するのと同じように、音の量子単位である「フォノン」と呼ばれる振動が流体全体に現れることを示しました。そして、フォノンのペアが音速ブラック ホールの音速地平線の近くで発生すると、それらは引き裂かれて永久になり、ホーキング放射の音の類似物を生成するはずです。
これは、Jeff Steinhauer が Nature Physics で 8 月に報告した現象です。 、2009年以来彼の実験に苦労した後、「排他的に、毎日一日中」と彼は言った.彼は、過冷却されたルビジウム原子から「ボース・アインシュタイン凝縮」と呼ばれるエキゾチックな流体を作成しました。それから彼はそれを流し、レーザーで流路に沿って流体を途中でザッピングし、それを超音速に加速し、音の地平線を作成しました。最後に、Steinhauer は、この地平線の両側にあるフォノンのペア間の量子もつれを測定しました。これは、ソニック ホーキング放射と一致しています。
この発見は、音速ブラックホールの場合に流体近似が機能することを確認しています。 「問題は、近似値がどの程度関連しているかということです。」ドイツのミュンヘンにあるルートヴィヒ・マクシミリアン大学の物理哲学者ステファン・ハルトマンは、次のように述べています。音速のブラック ホールが真の類似物として機能する場合、ホーキングの近似は正しく、事象の地平線は平穏な場所であり、情報はブラック ホールで破壊されます。つまり、量子力学の確率論的ルールをより基本的なフレームワークに置き換える必要があります。ホーキングの近似が間違っている場合、音速のブラック ホールはブラック ホールの適切な代用にはならず、量子重力がブラック ホールの履歴を何らかの形で放射にエンコードし、ブラック ホールが蒸発するときに情報を保存する可能性があります。
Unruh は、ホーキングの近似が正しいと信じています。 2005 年に、彼とドイツのデュイスブルク エッセン大学のラルフ シュッツホルトは、ホーキング放射が、音速ブラック ホールと実際のブラック ホールの両方で、理論的な仮定がどのようなものであるかに関係なく、一貫して確固たる理論的予測として出てくることを示しました。短距離物理。時空や流体の小規模な特性は計算結果にまったく影響を与えず、ホーキングの近似が重要なことを見逃していなかったことを示唆しています。 Unruh はこれを、量子重力の影響がホーキング放射を修正して情報を救うことができないことを意味すると解釈しています。彼の意見では、Steinhauer の結果は、「この熱放射は非常に堅牢な現象であり」、したがって「情報が失われる」という証拠を追加します。
しかし、ほとんどの量子重力研究者は、2000 年代に陣営を切り替えたホーキングを含め、情報は保存されていると信じています。彼らの観点からすると、音速ブラック ホールのホーキング放射に類似したものは、真のブラック ホールについて何も語っていません。音速ブラック ホールの場合、流体近似は正確ですが、時空はブラック ホール イベント ホライズンでほぼ滑らかであってはなりません。どういうわけか、量子重力は地平を修正します — ホーキング放射の堅牢性に関する Unruh と Schutzhold の議論を回避するには、極端な方法で修正する必要があります。 「私たちは何か大きなものが与えられなければならない状況にいます」とブッソは言いました。 「しかし、地平線で一般相対性理論を何に置き換えるかはまだ正確にはわかっていません。」
いくつかの思考実験は、ブラック ホールが空の殻であり、そのすべての情報を地平線上に塗りつぶし、ホログラムのように宇宙の残りの部分に投影している可能性があることを示唆しています。その場合、ブラック ホールに落ちることは、魚が滝に飛び込むようなものではなく、窓に飛び散る虫のようなものです。
大多数の意見では、音速ブラック ホールとの比較は、ブラック ホールと量子重力理論がいかに奇妙であるかを補強するだけです。この見方をするハーロウは、音速のブラック ホールをブラック ホールの類似物としてではなく、間違った方程式を実行しているコンピューター シミュレーションのように見ています。量子重力の方程式をシミュレートする場合、「正しい答えが見つかると思います」と彼は言いました。 「現在、どの方程式を教えればよいかわかりません。」
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