ホーキング博士、ブラックホールはやはり「ブラック」ではなさそうです

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イスラエルの科学者が、「音のブラックホール」からの放出現象を観察した。ホーキングが40年以上前に提起した量子論的仮説を裏付けているようだ。

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ブラックホールは、もはや「なんでも捕える」象徴とはいえなくなったといえるのかもしれない。8月半ばのこと、『Nature Physics』で、ある研究が発表されたのだ。

この研究によると、実験室内において(この研究専用につくり出されたシステムではあるものの)、ブラックホールからの粒子の放出と相似する効果が観測された。テクニオン・イスラエル工科大学のジェフ・スタインハウアーが行なったこの実験は、スティーヴン・ホーキングが40年以上前に立てた予想を立証するような内容だ。

ホーキング博士の言葉

1974年、かの英国の科学者は革命的な仮説を提起した。ブラックホールは「完全には黒くない」かもしれず、量子的真空のゆらぎから生じる物質/反物質(光子/反光子)のペアから「ある種の光の放射物を放出する」可能性があったのだ。

古典的物理学においては、光さえもブラックホールの重力からは逃れられないとされていた。しかし、量子力学では、理論的には逆の現象も起こりうる。「何物もそこから逃れることはできなかった」ブラックホールは、「脱走することが可能な」牢獄、つまりは質量を失ったり自身のエネルギーが減少したり、さらには次第になくなり完全に消滅することもありうる実体となったわけだ。

この理論は、例えば、ブラックホールのなかに存在するあらゆる情報の内容が、その消滅の瞬間に消散するという見解をも示唆する。これは、宇宙全体の情報量は保存されなければならないとする原則を犯している。

このことは、何十年もの間、宇宙物理学の観念的な1ページとしてのみ議論はされてきた。相対性理論や量子力学とは一致するものの、実験による検証の可能性が欠けていたためだ。

重力の「井戸」

ブラックホールから放出される「何か」は、物理学者たちによって「ホーキング放射」と名付けられていた。現在直接検出するのが不可能なほどに、あまりに希少であまりに弱い信号だ。

ゆえに実験の場においては、光の波の代わりに音の波を用いて、いわゆる「ボーズ=アインシュタイン凝縮」をブラックホールとして利用することにより「重力の井戸」を生み出すというアイデアが生まれた。光を捕らえる本物のブラックホールとは異なり、音を捕らえることのできるシステムだ。

Black_Hole_Milkyway

天の川を背景として太陽質量の10倍となるブラックホールから600km離れた視点を想定し、理論的な計算をもとに作成したシミュレーション画像。Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim, Space Time Travel, (background image of the milky way: Axel Mellinger) - Gallery of Space Time Travel

重力のブラックホールと、実験室内の音のブラックホールの間では、性質は大きく異なるものの、そのふるまいにはたくさんの相似がすでに示されている。

音のブラックホールをつくるために、ボーズ=アインシュタイン凝縮には、非常に低い、絶対零度に近い温度まで冷却されたルビジウム原子が使用された。この方法により、テクニオン・イスラエル工科大学のスタインハウアー氏は、この種の実験室製ブラックホールから実際に何かが出ていることを観察するのに成功した。

この場合、システムから出てくるのは、音子、つまり、基礎的な振動によって生み出される準粒子だった。これはつまりは、ある種の音の波だ。そしてこの波は、実験のなかで(そして、これと連結されたコンピューターでのシミュレーションにおいても)音の速度よりも速い速度で移動した。これは、宇宙論的な相似においては、光の速度よりも速く移動して、事象の地平を超える、すなわち、潜在的にはブラックホールから逃れることができること意味するだろう。

この相似は、音のブラックホールにおける典型的な量子効果の観察によっても補強されている。ホーキングがその理論のなかで予想していた「量子もつれ」である。

今回のケースでいうなら、それはブラックホールから逃れた粒子と、その内部の別の粒子の間につくられる「結びつき」を指す。2つの粒子の間でつくられる結びつきは、例えば、放出された粒子に対して行われた測定が、もう一方の粒子に対する同じ測定の結果を確実に予想することを可能にする。

ホーキングにノーベル賞を?

しかし、スタインハウアー氏の語る2つの結果は、すべての科学コミュニティーに等しい熱狂とともに受け入れられたわけではない。例えば、ブリティッシュ・コロンビア大学の科学者ビル・ウンルーは、『ニュー・サイエンティスト』のインタヴューに答えて、実験の再現性を証明する独立した検証が必要であると述べている。

ロンドン・インペリアル・カレッジの物理学者トビー・ワイズマンはBBCに対して、技術的・実験的観点からは重要な前進となる研究だが、それ自体はブラックホールの特性を証明するものではないと説明し、次のように語っている。「得られたのは、ホーキングの仮説の裏付けです」と、彼は説明した。「しかし、本物と相似のシステムにおけるものです。(中略)したがって、いまのところは本物のブラックホールについてわたしたちが何か新しいことを学んだわけではありません」

慎重であるべきなのはともかく、実際のところ、もしこの発見が裏付けられれば、人類は、ノーベル賞をスティーヴン・ホーキングに受賞させることのできる決定的な証拠を前にしているかもしれない。ちょうど、ピーター・ヒッグスとCERNの観測したボーズ粒子の場合と同じだ。

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