「ソニック・ブラックホール」が宇宙のパラドックスの解決に役立つかもしれない

先月、物理学者チームがネイチャー誌に、光を閉じ込めるブラックホールに似た音波捕捉流体が、特徴のないエネルギースペクトルを放射していると報告した。これは、スティーブン・ホーキング博士が自身の研究で有名な目に見えない球体について予測した通りだ。しかし、この音波捕捉流体が、最近初めて写真にシルエットで写し出されたブラックホールのような、現実のブラックホールについて何を明らかにするのかについては、意見が分かれている。

問題は、イスラエルの研究所にあるルビジウム原子の流体と、巨大な星が燃料を使い果たして内側に崩壊するときに最もよく形成される神秘的な天体物理学的深淵との間の奇妙な類似性をどう解釈するかだ。

一部の哲学者や物理学者は、今回の新たな発見がブラックホール情報パラドックスに重大な影響を与えると主張している。ブラックホール情報パラドックスとは、量子情報がブラックホールからどのように逃れられるのかという45年来の難問である。一方、この流体実験はブラックホールやその核心的な謎について何も語らない、面白おかしいデモだと考える者もいる。

このパラドックスは、1974年にホーキングがブラックホールは真の黒ではないという洞察から生まれた。ブラックホールの黒く見える球状の「事象の地平線」は、その重力があまりにも強く、光線さえも脱出できない領域を示している。しかしホーキングは、事象の地平線における時空構造は「量子ゆらぎ」を経験すると推論した。量子ゆらぎとは、粒子と反粒子の対が真空から自発的に出現する現象である。通常、これらの対は瞬時に対消滅し、宇宙のエネルギー予算から一時的に借り受けたエネルギーを再び放出する。しかし、ブラックホールの事象の地平線の両側に現れた粒子と反粒子は、引き離されてしまう。

ホーキングは、真空からエネルギーが奪われ、新たな粒子が永久に生成され、それが「ホーキング放射」として地平線から放射されることに気づいた。その共犯者が、負のエネルギーをブラックホールに持ち込むことで、その責任を負わされる。つまり、ブラックホールは放射することでエネルギーを失う。ゆっくりと蒸発し、縮小し、最終的には完全に消滅するのだ。

問題は、ホーキングの計算によれば、ブラックホールからの放射はランダムで、特徴のない「熱的」なエネルギースペクトルを持ち、ブラックホールや、ブラックホールに形成されたり落下したりした物質に関する情報を一切含まないという点だ。これは、蒸発するブラックホールが情報を破壊することを意味するが、これは量子力学では許されない。量子数学は、情報は決して失われないという前提に基づいている。粒子がシャッフルされ変形しても、過去の記録は常に現在と未来にエンコードされたまま残る。理論的には、時間を巻き戻すことで、燃え尽きた本を灰から再生できる可能性がある。

ホーキング放射の発見以来数十年にわたり、情報パラドックスは自然へのより深い理解を求める探求を促してきました。今日の物理学者は、ブラックホールの情報は保存されていると広く信じています。つまり、重力の量子的な性質が何らかの形で事象の地平線を変化させ（そしてホーキングの計算を補正し）、放射されるホーキング放射を過去の記録で暗号化しているのです。問題は、ブラックホールの情報がどのようにして外部に漏れるかということです。

何年も前、理論物理学者のビル・アンルーは、ホーキングのブラックホール地平線に関する洞察は「音の地平線」にも当てはまるはずだと主張した。これにより、ホーキングの計算を類推で検証できる可能性が高まり、実験室でブラックホールの類似物を作る競争が始まった。最も成功した実践者であるイスラエルのハイファにあるテクニオンのジェフ・スタインハウアーは、ルビジウム87原子の流体を超音速まで加速することで音の地平線を生成した。2016年、スタインハウアーはホーキング放射の音響類似物を検出して注目を集めた。フォノンと呼ばれる音の量子単位が、音の地平線をまたいで2つ1組で現れ、一方のフォノンは流れる流体に流され、もう一方のフォノンは上流に向かって進んで逃げる。

3年間にわたる装置の改良により、「ホーキングの予測を定量的に検証できるようになった」とスタインハウアー氏は述べた。彼と3人の共同研究者は、新たな論文の中で、ホーキングがブラックホールについて計算した通り、音波放射に特徴がないことを報告した。「この発見は情報パラドックスに関するヒントを与えてくれる」とスタインハウアー氏はメールで述べた。「スペクトルの熱的形状は、ホーキング放射が情報を運んでいないことを示唆している。したがって、情報パラドックスを解決するには、別の方法を探す必要がある」

量子重力研究者のほとんどはこの評価に同意しないが、アナログのブラックホール実験に興味を持つようになった哲学者のグループはシュタインハウアーが正しいと考えている。

鍵となるのは、ブラックホールの事象の地平線における時空を滑らかなものとして扱えるかどうかだ。ホーキングとウンルーは共に、実在のブラックホールと音速ブラックホールの研究において、量子ゆらぎは滑らかな背景で起こると仮定した。ホーキングは計算において、事象の地平線における時空の構造の（未知の）微視的性質を無視し、ウンルーも同様に音速ブラックホール内の流体を滑らかなものとして扱い、その構成原子を無視した。量子重力研究者のほとんどが疑わしいのは、まさにこの「滑らかさの近似」である。彼らは、時空の量子スケールの特性が、何らかの形でホーキング放射に情報をエンコードしていると考えている。

シュタインハウアーの新たな測定は、流体の場合、平滑性近似が成り立つことを裏付けている。さらに、ウンルーの理論的研究は、多様な微視的特性を持つ流体であっても、マクロスケールでは平滑であり、特徴のない熱的なホーキング放射を放射することを示唆している。哲学者たちは、ホーキング放射の「普遍性」、すなわち媒体の微細な詳細に対する堅牢性と鈍感性から、平滑性近似が時空にも成り立つはずだと主張している。

「音響モデル化の仮定が誤った方向に導かないと判明すれば、普遍性を考慮すると、ホーキングモデル化の仮定も誤った方向に導かないと信じる十分な理由となると我々は主張します」と、南フロリダ大学の科学哲学者で、最近のアナログブラックホール実験に関する研究の共著者であるエリック・ウィンズバーグ氏は述べた。言い換えれば、今回の新たな結果は「現実のブラックホールの情報は失われている」可能性を高めるということだ。

しかし、哲学者たちが最近の別の論文で議論した大きな落とし穴があります。たとえ流体の滑らかさの近似が普遍的に成り立っていたとしても、時空には成り立たない可能性があります。時空は、微視的な部分から、はるかに奇妙なパターンで縫い合わされている可能性があります。ウィンズバーグが述べたように、「時空が滑らかさから逸脱する方法は、あなたの哲学で夢に描かれているよりもはるかに多くあるのかもしれません」。

例えば、様々な思考実験や簡単な例から、時空はホログラフィックである可能性が示唆されている。これは、ビデオゲームの宇宙がコンピュータチップから出現するのと同様の幾何学的投影である。ブラックホールの内部は、事象の地平線にエンコードされた情報から投影されたホログラムである可能性がある。マサチューセッツ工科大学の量子重力理論家でブラックホールの専門家であるダニエル・ハーロウ氏は、このようなシナリオはホーキング放射のスペクトルに微妙な構造を加えると予想されると述べた。放射は熱放射に見えるが、「放射雲全体を量子コンピュータに入力し、高度なアルゴリズムを実行すれば」意味のあるパターンが現れるだろう。

哲学者たちは、量子スケールの時空特性に関する特異な可能性が、スタインハウアーの実験がブラックホールの情報損失をより起こりやすくする力を「弱める」ことを認めている。

これらのことで、誰かの考えが変わるだろうか？ 出発点となる信念の違い、証拠要件、その他の要因は「科学者が下す推論の種類に大きな影響を与える可能性がある」と、ブリストル大学の物理学者で哲学者のショーン・グリブ氏は述べた。量子重力理論家は、情報損失を信じる少数派が確信を深める一方で、情報はブラックホールから漏れ出ると考え続けることはほぼ確実だろう。実験では測定できないブラックホールからの放射を実際に測定しない限り、専門家はどのようにして意見の一致を得られるのだろうか？ 「これは、科学哲学者が長年、明確な答えを探し求めてきた種類の問いなのです」とグリブ氏は述べた。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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