ブラックホール研究所の紹介
ふさわしく、ブラック ホール イニシアチブ (BHI) は、カール シュヴァルツシルトがアインシュタインの一般相対性理論の方程式を解いてから 100 年後に設立されました。時空のエキゾチックな構造として、ブラック ホールは天文学者、物理学者、数学者、哲学者、一般大衆を魅了し続けており、その神秘的な性質に関する 1 世紀にわたる研究が続いています。
BHI の使命は学際的であり、その目的のために、さまざまな分野の研究者間の交流をサポートする環境を作り出す多くのイベントを後援しています。哲学者は数学者、物理学者、天文学者と話し、理論家は観察者と話し、一連の予定されたイベントは人々が定期的に集まる場を作ります。
例として、私たちが関心を持っている問題として、アインシュタインの重力理論の崩壊を示すブラック ホールの中心にある特異点を考えてみましょう。特異点は、量子力学の文脈ではどのように見えるでしょうか?最も可能性が高いのは、小さな体積内に巨大な質量 (天体物理学のブラック ホールの数個の太陽質量以上) が極端に集中しているように見えることです。天体物理学のブラック ホールに落ちたすべての物質を排出する貯水池のサイズは不明であり、BHI の学者が取り組んでいる未解決の問題の 1 つです。
BHI の最初のエッセイ コンペティションに寄せられた多くの応募の中から、シニア ファカルティが慎重に選んだエッセイのコレクションを発表できることを嬉しく思います。 受賞エッセイはこちらで公開されます 次の 5 週間の Nautilus は、5 位のフィニッシャーから始まり、1 位のフィニッシャーまで続きます。 私たちと同じように楽しんでいただけることを願っています。
—アブラハム (アヴィ) ローブ
Frank B. Baird, Jr. ハーバード大学科学教授
ハーバード天文学科長
ブラック ホール イニシアチブ (BHI) 創設ディレクター
ブラックホールは、宇宙で最も極端な天体です。私たちの太陽の 10 億倍もの質量を持ち、銀河全体を固定する力を備えた漆黒の天体を研究するには、同様に極端な方法が必要です。実際、科学者たちは、これらの目に見えない獣から得られるあらゆる信号を拾うために多大な努力を払っています。地中海の海底に配置された幅数キロメートルのニュートリノ検出器は、ブラックホールの誕生から発生する素粒子を捕らえます。また、ブラック ホールの活動を直接観察する最初の機会を提供するレーザー干渉計重力波天文台の建設に 6 億ドル以上を費やしました。
しかし、望遠鏡のフィールドや何百万ドルもの設備を使わずに、もっと控えめな方法でブラックホールを研究できたらどうでしょうか?科学者が野生でそれらを追跡するのではなく、実験室でそれらを構築し、その行動を間近で詳細に研究できたらどうでしょうか?
これはアナログブラックホールの世界です。ここでは、科学者は、ガラス、水、ガス雲などの控えめな素材を使用して、実験室や卓上でブラック ホールの信じられないほどの物理学の側面を再現しています。これは、ブラック ホールを地球に降ろす際に、銀河観測の従来の方法に重要な補完を提供するアプローチであり、ブラック ホールのいくつかのユニークな特性を組み込んだ新しい重要な材料のエンジニアリングにつながる可能性さえあります。
アナログ ブラック ホールの背後にある論理は単純で、実際のブラック ホールがどのように機能するかについて、いくつかの信念があるという事実から始まります。たとえば、イベント ホライズンを支配する方程式が知られています。イベント ホライズンとは、重力の引力が非常に強くなり、そこを通過する物質 (光を含む) が引き返せない点を作り出す場所です。これらと同じ方程式に従うが、操作と測定がはるかに簡単な他の物理システムも知っています。したがって、光が事象の地平線を通過する頃に何が起こるかをテストしたいが、何光年も離れたブラックホールでそれを観察するという面倒なことはしたくない場合は、代わりに地球上に流体のシステムをセットアップすることができます。同じルールに従います。このシステムには、ブラック ホールの部分の独自のバージョンがあり、そこを通過する波が戻ることのできないポイントが含まれます。このシステムで行われた観測は、ブラック ホールの対応するものにマッピングすることができます。このように、方程式は演劇の脚本のように機能し、ブラック ホールが 1 組の俳優をキャストし、アナログ システムが別の俳優をキャストします。
類似物を通してブラック ホールを研究するためのインスピレーションは、叫んでいる魚から生まれました。 1972 年、物理学者のウィリアム ウンルーは、ブラック ホールを説明する手段として、不当に速い滝に魚が落ちるという話を思いつきました。滝が音速より速い速度で動くと、滝の上に落ちた魚の悲鳴が滝の外から聞こえなくなるポイントがあると彼は説明した.これは、イベントの地平線を通過すると、ブラックホールの圧倒的な重力から光が解放されないのと同じように、悲鳴は水がそれらを押し下げるよりも速く上昇することができないためです.このばかげた話は単なる説明として始まりましたが、Unruh は最終的にそれを適切な数学的議論に具体化し、1981 年の論文で、そのような「音の」または「耳の聞こえない」ブラック ホールが数学的に現実のものにどのようにマッピングされたかを示しました。アナログ ブラック ホールのフィールドが誕生しました。
これらの類似体を使用して、ブラックホールの正確にどの特性を調べることができますか?ホーキング放射 (ブラック ホールが蒸発する可能性があると仮定されている手段) は、その存在が不確かであると同時に、もし本当なら非常に重要であるため、研究の主な焦点となっています。 1974 年、スティーブン ホーキング博士は、一般相対性理論と量子力学のほとんど相容れない理論からのアイデアを組み合わせて、ブラック ホールが実際に粒子を放出し、時間の経過とともに粒子が収縮し、さらには消滅する可能性があることを示しました。したがって、ブラック ホールからのホーキング放射の痕跡を観察することは、これら 2 つの相反する物理学の基本理論を結び付けるのに大いに役立ちます。しかし、この効果を「現場で」測定しようとすると、重大な問題が 1 つあります。ホーキング放射は非常に弱いため、宇宙に浸透する宇宙背景放射によってその兆候が完全に消えてしまいます。
このように弱いが重要な信号を検出することの難しさは、まさにほとんどの科学分野でモデルを使用する動機となっています。たとえば、生物学では、ライフスタイルの違いなどの他の要因によって隠されているデータ内の遺伝子の機能を特定することは困難な場合があります。そのため、生物学者は、遺伝子改変が既知であり、その影響を正確に測定できる、高度に制御された実験室環境に目を向けます。制御と精度の同じ機会が、天体物理学者を望遠鏡から遠ざけ、実験室に向かわせる可能性もあります。
このラボへの移行は報われた可能性があります。 2016 年、長年の研究の末、実験物理学者のジェフ スタインハウアーは、ウンルーの滝のミニチュア バージョンの結果を発表しました。 Steinhauer は、非常に冷たいルビジウム原子の雲で小さなバイアルを満たしました。これらの原子は、音速が非常に遅くなる特別な物質状態に入り、このシステムで超音速を簡単に生成できます。 Steinhauer は、このシステムの事象の地平線の両側で、「フォノン」のペアがもつれていることを観察しました。これは、ブラック ホールのホーキング放射の基礎を形成すると考えられている光子対に類似しています。したがって、スタインハウアーの実験は、ある定義によれば、ホーキング放射の量子効果の最初の観察でした。
さまざまな素材が使用され、アナログ ブラック ホールの謎が解明されています。たとえば、セント アンドリュー大学の物理学者は、極端な重力によって生成された湾曲した時空を光が通過する際に何が起こるかを調べるために、予想される光の減速を再現する応答性の高い光ファイバーを作成しました。この星系はまた、ホーキング放射の兆候を探すもう 1 つの場所でもあります。
異なるタイプのブラック ホールには、異なる特性があります。たとえば、回転するものは、近くに来る波のエネルギーにプラスの影響を与えると予測されています。この効果は現在、ノッティンガム大学に設置された単純な浴槽で見られ、排水管に近づいたが逃げた水の波がその振幅を押し上げました.
ラボで構築されたブラック ホールへの別のアプローチは、可能な限り多くの光を吸収する複合材料のエンジニアリングに焦点を当てています。これらの「メタマテリアル」は、極端な状況下で光がどのように振る舞うかについての基本的な質問に答えることができます。それ以上に、これらの物質の存在は、ブラック ホール科学をはるかに超えた分野に影響を与える可能性があります。このような光を曲げるデバイスは、「見えないマント」の作成や非常に効率的な太陽電池に貢献する可能性があり、最も風変わりな科学的試みでさえ日常生活に影響を与える可能性があることを示しています。
アナログシステムは、通常では手の届かない現象を把握する手段として非常に貴重です。しかし類推として、それらには限界があり、拡張しすぎないように注意する必要があります。医学者が動物に有効な治療法が人間にも有効であると仮定できないのと同じように、物理学者は、これらの培養されたブラック ホールから得られた発見を、自然に生まれたいとこに関連付ける際に慎重でなければなりません。実際、音速のブラック ホールで観測されたホーキング放射のような効果が、実際のブラック ホールで起こっていることと関係があるかどうかという問題は、科学者と哲学者の間で未解決の問題です。それぞれのモデルには独自の特徴と注意点がありますが、数学の類似性は、これらのモデルが普遍的に正しい何かを研究する方法を提供するという希望を提供します。科学哲学者のラディン・ダーダシュティによれば、さまざまなアナログ系を研究することは、実際には良いことかもしれません。複数の異なるアナログでホーキング放射の証拠を見つけることは、ホーキング放射がブラック ホールで発生すると信じる根拠を強化するはずだからです。
宇宙搭載の X 線望遠鏡と水中粒子検出器は、宇宙の大きな疑問に比類のない洞察を提供するエンジニアリングの偉業であり、ブラック ホールの研究におけるそれらの有用性は疑う余地がありません。しかし、科学的なツールボックスにとっては、多様性が鍵となります。アナログ システムは、研究室でブラック ホールを培養する方法を提供することで、空で最も神秘的な存在の 1 つを探索、テスト、観察するためのまったく新しい環境を提供します。
グレース・リンゼイは神経科学者であり、サイエンス ライターでもあります。彼女は現在、数学が脳の理解にどのように役立つかについての本を執筆中です。
このエッセイは、ブラック ホール研究所のエッセイ コンテストで 1 位になりました。
追加資料
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