ブラック ホールは物理学者の遊び場です。物理学における最も奇妙で基本的な概念のいくつかを観察してテストできる場所です。ただし、現在のところ、ブラック ホールの動作を直接観察する方法はありません。これらの物体は、光や X 線など、望遠鏡が検出できる種類の放射線を放出しません。幸いなことに、物理学者は実験室でブラック ホールの状態を模倣する方法を見つけ出し、ブラック ホールの類似物を作成することで、物理学における最も魅力的なパズルを解き始めています。
イスラエル工科大学物理学科の研究者であるジェフ・スタインハウアーは最近、アナログブラックホールを使用して、ブラックホールが電磁放射を放出するというスティーブン・ホーキングの 1974 年の理論を確認したと発表したとき、物理学コミュニティの注目を集めました。ホーキング放射として。ホーキング博士は、この放射は事象の地平線での粒子と反粒子の対の自発的な生成によって引き起こされると予測しました。これはブラック ホールの端にあるポイントであり、そこからは何も (光でさえも) 逃げることができません。ホーキングの理論によれば、粒子の 1 つが事象の地平線を横切り、ブラック ホールに捕らえられると、もう 1 つの粒子は宇宙空間に放出されます。 Steinhauer の実験は、Hawking の計算を裏付ける一種の自然変動を示した最初の実験でした。
物理学者は、スタインハウアーのブラックホールは宇宙で観測される可能性のあるブラックホールとまったく同じではないため、この実験では天文学的なブラックホールにホーキング放射が存在することをまだ確認していないと警告しています.ブラックホールを形成する強力な重力場を作り出すことは、まだ物理的に不可能です。代わりに、アナログは、音を使用して光波を吸収するブラック ホールの能力を模倣します。
「音波であるあなたが川に逆らって泳ごうとしているようなもので、川はあなたが泳げるよりも速く流れています」と Steinhauer 氏は言います。彼のチームは、ガス原子の雲を絶対零度近くまで冷却し、ボーズ・アインシュタイン凝縮体として知られる実体を作り出しました。そのガスを音速よりも速く流すことで、音波が逃げられないシステムを作った。
Steinhauer の観察結果は Nature Physics に掲載されました 8月上旬の論文。ホーキング放射の観測に加えて、彼の実験は、音速ブラック ホールから放出された粒子とその中の粒子が「絡み合っている」ことを観測したと主張した点で重要でした。これは、2 つの粒子が同時に複数の物理的状態 (エネルギー レベルなど) にある可能性があり、一方の粒子の状態を知ることで、もう一方の状態をすぐに知ることができることを意味します。
アナログ ブラック ホールの概念は 1980 年代に William Unruh によって提案されましたが、ラボで最初に作成されたのは 2009 年のことでした。それ以来、ブラック ホール類似体は世界中の科学者に採用されており、その多くはホーキング放射を観測しようとしています。 Steinhauer はその分野で成功した最初の人物ですが、アナログ システムは、物理学者が長い間これらの理論システムに適用されてきた方程式と原理を紙の上でのみ検証するのに役立ちました。実際、ブラック ホール類似体の最大の可能性は、物理学者が物理学における最大の課題の 1 つを克服するのを助けることにあるかもしれません:素粒子の挙動を支配する量子力学の原理と重力を結合することです。重力。
さまざまな方法が使用されますが、すべてのブラック ホール アナログの原理は同じです。各ブラック ホールには、イベント ホライズンのように、必要な速度が速すぎるため、光の代わりに機能する振動が通過できないポイントがあります。 .科学者が実験室でブラック ホールを模倣している他の方法をいくつか紹介します。
グラス
2010 年、ミラノ大学の物理学者グループが、シリカ ガラスに強力なレーザー パルスを照射して生成されたブラック ホール アナログからのホーキング放射を観測したと主張して、物理学コミュニティを騒がせました。チームの主張はその後疑問視されていますが、物理学者のウィリアム・アンルーによれば、彼らが観測した放射線はホーキング放射線が本来あるべきよりもはるかに強く、間違った方向に進んでいたということです.彼らが作成した類似物は、モデリングの興味深い方法であり続けています.事象の地平線。
この方法は次のように機能します。シリカに送信される最初のパルスは、ガラス内の屈折率 (物質内の光の移動速度) を変化させるのに十分な強度があります。 2 番目のパルスがガラスに入ると、この屈折率の変化により速度が低下し、光が透過できない「地平線」が作成されます。この種のシステムは、光が逃げることができないブラック ホールの反対であり、「ホワイト ホール」と呼ばれています。ただし、スティーブン ホーキングによれば、ホワイト ホールとブラック ホールは基本的に同じであり、同じ量子特性を示すはずです。
別の研究グループは 2008 年に、光ファイバーを使用して同様の方法でホワイト ホールを作成できることを示しました。また、シリカよりもレーザー光による損傷を受けにくいダイヤモンドを使用して、同様の事象の地平線を作成するためのさらなる実験が行われています。 .
ポラリトン
Hai Son Nguyen が率いるチームは 2015 年に、ポラリトン (準粒子として知られる物質の奇妙な状態) を使用して音響ブラック ホールを作成できることを実証しました。 Nguyen のチームは、強力な半導体であるガリウム砒素から作られた微細な空洞に高出力のレーザーを集光することによって、ポラリトンを作成しました。内部では、チームは意図的に小さなノッチを作成し、キャビティを 1 か所広げました。レーザーがマイクロキャビティに当たると、ノッチのある欠陥に向かって流れるポラリトンが放出されました。しかし、これらの励起された粒子の流れが欠陥に到達すると、速度が変化し、音速よりも速く移動しました。これは、音が逃げることができない地平線が作成されたことを意味します.
チームはまだこの方法を使用してホーキング放射を観測していませんが、研究者は、将来の実験では、粒子流体の密度の変化を測定することによって、フィールドを離れる粒子によって引き起こされる変動を検出できると提案しています。ポラリトンを使用した他の実験では、ポラリトンをボーズ・アインシュタイン凝縮体に冷却することも提案されており、ワームホールの形成をシミュレートするために使用することさえできます.
水
次にシャワーを浴びるとき、足の間の排水溝に渦巻く水を見下ろしてみてください。ブラック ホールに似たものを見ていることに驚くかもしれません。ノッティンガム大学の研究室で、シルケ・ワインファートナー博士は、中央に傾斜した漏斗を持つ 2,000 リットルの長方形のタンクである「浴槽渦」内のブラック ホールをシミュレートしています。水はタンクの上部と下部からタンクに供給され、漏斗と出会うときに水に角運動量を与えて渦を作ります。この水の類似物では、光の代役は水面の小さな波紋です。たとえば、この流れに小石を落として、波紋が円を描くように遠ざかっていく様子を想像してみてください。これらのさざ波が渦に近づくほど、渦から離れる方向に伝播する能力が低下します。ある時点で、これらの波紋はまったく伝播しなくなります。これは、事象の地平線の類似物と見なすことができます。この類似物は、Weinfurtner が現在研究しているトピックである、回転するブラック ホールの周りで発生する奇妙な物理学をシミュレートするのに特に役立ちました。
Weinfurtner は、これは量子的な意味でのブラック ホールではないことを強調しました。このアナログは室温で発生しているため、古典力学のみが観察できます。 「それは汚いシステムです」と彼女は付け加えました。 「しかし、それを操作して、変更に対して堅牢であることを示すことができます。これらと同じ現象が天体物理学系でも起こっていることを確信しています。」
Claudia Geib は、ボストンを拠点とするフリーランスの科学ライターです。 Twitter @cm_geib で彼女をフォローしてください。
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