この1世紀で最も画期的で成功した2つの科学理論は、「一般相対性理論」と「量子論」と言われている。一般相対性理論は、古典レベルでの重力理論の正確な数学的記述である大質量物体の周囲の物体または粒子の運動を正確に記述し、量子論は基本粒子の微視的な挙動を記述している。また、一般相対性理論の基本的な構成要素は、重力場の存在下で十分に小さな領域で実験を行った場合、重力場の存在しない中で行った同じ実験と比較して、自然法則は同じままであるというアインシュタインの洞察である。これは等価原理と呼ばれるもので、完全に古典的なものであり、これまで多くの科学者たちは、量子力学的シナリオにおける等価原理の妥当性を実験的に観察しようと試みてきた。

インド科学技術省傘下のボーズ国立基礎科学センター(Bose National Centre for Basic Sciences: SNCBS)は、量子補正が埋め込まれたブラックホールに原子が自由落下することでブラックホールから放出される放射線に対する新しい量子効果を調査し、数学的計算により、ブラックホールからの放射が「ホーキング放射」に類似しており、アインシュタインの等価原理への洞察を提供する特別な特徴を持つという以前からの研究成果の再現に成功したことを7月24日付けで発表した。

一般相対性理論の基本的な帰結は、ブラックホールの存在であり、この天体は事象の地平線として知られるものによって特徴付けられ、物質が一度中に落ちた場合、そこから逃れることができない一定の半径の仮想的な球体である。スティーブン・ホーキング博士は、ブラックホールに対する量子力学の影響を考慮して、ブラックホールは「ホーキング放射」と呼ばれる放射線を放出することもできると予測した。しかし、ブラックホールからの低温放射は、宇宙の2.7度ケルビンの宇宙マイクロ波背景放射にかき消されるため、これまでホーキング放射を検出することはできなかった。

一方、原子とそれを取り囲む場の間の相対加速によって発生する放射線は、ホーキング博士が予言したブラックホールから放出される放射線とは異なり、二準位原子から発生し、その原子から放出される放射線について、エントロピーとして知られる無秩序な量が計算され、「水平線加速放射線エントロピー」(Horizon Brightened Acceleration Radiation Entropy: HBARエントロピー)と呼ばれている。

今回、インドの研究者は、量子補正されたブラックホール計量の計算を実施してHBAR エントロピーを取得し、等価原理が一般的な設定条件下でも同様に成立することを確認したというもの。HBARエントロピーは、対数先行順位の面積補正と逆順位の面積下先行補正においても面積法則に従っていたのである。

ブラックホールに落ち込む原子に関するこの研究は、物質の最小スケールで展開される量子力学と、最大の宇宙論的スケールで適用できるアインシュタインによって提唱された一般相対性理論の統一に向けた研究者の努力に新たな光を当てる可能性があるという意味で画期的なものである。

サイエンスポータルアジアパシフィック編集部