物質にひそむブラックホールの姿を捉える方法を発見

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日本大学
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◆近年、物理学の超弦理論の分野では「ある種の２次元物質上には３次元空間のブラックホールの情報がひそんでいるのではないか」と考えられるようになってきた。
◆本研究では、ホログラフィー原理を用い、物質上のブラックホールの姿を、ホログラムから生まれる立体映像のように、卓上での小規模物性実験で観測する方法を世界で初めて発見
◆ブラックホールと等価な性質をそなえた物質の探索方法を提唱
◆量子重力理論解明への実験的アプローチを与える成果

　超弦理論の大きな成果の一つにホログラフィー原理の発見があります。これは物質を構成する、強く相互作用する量子力学的な多数の粒子（量子多体系）についての理論が、ブラックホールなどを説明する仮想的な高次元における重力理論と等価になっているという仮説です。つまり実際のホログラムのように、例えば２次元面状の物質上に３次元空間のブラックホールの情報があることになります。このホログラフィー原理は、これまで量子色力学や物性系などの現実的な系へも応用されてきました。それらの研究成果を見ると、たしかにブラックホールの物理は、量子多体系の物理と定性的に矛盾しない結果を与えるようです。しかし、未だホログラフィー原理の決定的証拠は掴めていません。どのような条件で、物質はブラックホール描像を持つのでしょうか？これは超弦理論の有効性を示す上でも最も重要な問いの一つです。
 

　ブラックホールは謎が多い天体です。ブラックホールは古典的にはものを吸い込むだけですが、量子的な効果を考えると熱放射して蒸発することが知られています。ブラックホールが蒸発しきったら何が残るのでしょうか？ブラックホールが吸い込んだ物の情報はどこに消えてしまうのでしょうか？これらの問いに答えられれば、量子重力の理解は大きく進展するはずです。本研究では、実験的にブラックホールに対応する物質を探索する方法を提案しました。もし、そのような物質が発見されれば、物性実験でブラックホールの様々な性質を直接調べる道が開けることになります。特に、重力の量子論の解明に向けた大きなステップになることが期待されます。
 

　本研究成果は、2019年7月19日（金）に米国科学誌「Physical Review Letters」（オンライン）に掲載されました。
　タイトル：“Einstein Rings in Holography”
　著者名：Koji Hashimoto, Shunichiro Kinoshita and Keiju Murata

　本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金 新学術領域研究「次世代物質探索のための離散幾何学」（17H06462・17H06460、領域代表：小谷元子)の支援を受けて実施しました。
 

※1　ブラックホール
強すぎる重力のため、光さえも脱出できなくなった時空領域のこと。非常に重い天体の重力崩壊などによって形成され、宇宙には大小さまざまなものが存在していると考えられる。

※2　超弦理論
「素粒子は1次元的な広がりを持つひもである」という考えに基づき構成された理論。自然界の4つの力を統一する究極理論の候補。

※3　ホログラフィー原理
強く相互作用する多数の粒子についての理論が、ある極限操作をとることにより、仮想的な高次元空間の重力理論と同じになってしまうこと。特に有限温度の理論はブラックホールに対応すると考えられている。超弦理論を考えると自然に現れる対応関係。

※4　重力レンズ効果
重力場により光が曲げられることで生じる、物質中での光の屈折と類似した効果のこと。宇宙では大質量天体のまわりでさまざまなものが観測されている。

※5 アインシュタインリング
光源が強い重力源の背後にあると、重力レンズ効果により重力源を回り込んできた光を観測することになる。その結果観測されるリング状に分布した像のこと。

※6 量子重力理論
古典的な重力理論と量子力学を組み合わせた理論。その完成は現代物理の未解決問題である。

※7 一般相対性理論
重力場を時間・空間の曲がりとして記述する、古典的な重力の基礎理論。ブラックホールをはじめ重力にまつわる、さまざまな古典的現象を説明・予言できる。