約50年前――『インターステラー』や『宇宙からのメッセージ』、そしてもちろん『イベント・ホライズン・テレスコープ』が登場するよりもずっと前――ポスドク研究員のウィリアム・アンルーは、オックスフォード大学の講演会で聴衆にブラックホールの説明を試みていました。光が歪んだ重力から逃れられないほど密度の高い物体を、比較できる基準がなかったのです。そこで彼は、独自の小さな例え話を考案しました。滝と、水の流れに逆らって泳ぐには遅すぎる小さな魚が、偶然滝の縁を泳ぎきってしまったと想像してみてください。魚は永遠に滝の底に閉じ込められ、二度と元の場所に戻ることはないでしょう。まさにこれが、光に起こっていたことなのです。
数年後、アンルーは流体の挙動に関する物理学の授業を担当していた際、このアナロジーの数学的考察が、これまで考えていた以上にブラックホールに近い構図を描き出していることに気づいた。ブラックホールと同様の物理法則に従う、より小規模な実験といった類似例によって、ブラックホールに見られる他の幻想的な物理効果も再現できるかもしれない。
ウンルーは数十年にわたり、理論上のみでアイデアを具体化してきたが、自身が教授になった頃には、彼とポスドクたちはそのアイデアを現実のものにできると気づいた。彼らはブラックホールのような物体を研究室で作ることができたのだ。
1980年代以降、科学者たちはアルバート・アインシュタインやスティーブン・ホーキングといった科学者が予測した時空の奇妙さを再現しようと、ブラックホールの類似体を数多く設計し、近年では構築してきた。今年だけでも、テクニオン・イスラエル工科大学の物理学者ジェフ・スタインハウアー率いるチームが、そのような類似体の一つを用いて、ホーキングがブラックホールの外縁から放射すると予測した放射線のこれまでで最も強力な証拠を発見した。しかし、類似体と現実の宇宙との比較には限界がある。
「宇宙は縁から流れ落ちる滝ではありませんし、ブラックホールも他の面では異なりますが、いくつかの面では非常に似ています」と、現在ブリティッシュコロンビア大学の教授であるアンルー氏は述べた。しかし、どれほど似ているのだろうか？類似例を研究することで、ブラックホールの挙動に関する理論を補強できるほどの類似性があるのだろうか？「そうだと思います」とアンルー氏はギズモードに語った。
アインシュタインの一般相対性理論は、ブラックホールの存在を予言している。ブラックホールとは、重力によって空間と時間が大きく歪む天体であり、事象の地平線と呼ばれる境界を超えると光さえも逃れられない。しかし、これらの境界は、極小粒子の法則である量子力学と、一般相対性理論の法則およびその重力の記述の両方に従うため、物理学者の理論にとって負担となっている。そして今のところ、これら2つの理論をシームレスに結びつける実証済みの方法はない。理論家たちは、これらの極限領域で発生する可能性のある物理現象をいくつか考案してきた。その中には、量子力学によってブラックホール表面で引き起こされる微小なエネルギー変動によってブラックホールが粒子を放出するという考え方であるホーキング放射や、回転するブラックホールが近くの粒子にエネルギーを注入する可能性があるペンローズ過程などがある。
しかし、LIGOやVirgoの重力波検出器、そして事象の地平線望遠鏡といったブラックホール観測実験では、事象の地平線を量子レベルの極小スケールまで完全に解明することは不可能です。世界最大の原子衝突型加速器である大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、いまだに小型ブラックホールを生成できていません。物理学者たちは確かに探しているものの、小型ブラックホールは危害を及ぼすことはなく、ほぼ瞬時に崩壊してしまうでしょう。小型ブラックホールを生成するには、LHCが現在の能力をはるかに超えるエネルギーを持つビームを必要とするでしょう。極低温原子、レーザー、あるいは流水を用いた類似例であれば、少なくともブラックホールのように振る舞う天体において、理論上想定されている特定のプロセスが自然界に存在することを検証できるでしょう。
ホーキングがブラックホールの放射理論を発表してから数十年後、アンルーは数学を用いてその類推を拡張し、「ダムホール」の概念を発展させた。これは光ではなく音を閉じ込めることから名付けられた。他の物理学者たちもこの理論を基に、独自のダムホールを考案した。2000年代までに、アンルーと彼のチームはブリティッシュコロンビア大学の土木技術者らと協力し、実験室でダムホールを建設する準備を整えた。
これらの初期のブラックホール類似物は、星間帰還不能点というよりは、滝によく似ていました。ブリティッシュコロンビア大学でウンルー博士のもとでポスドク研究員として働いていたシルケ・ヴァインフルトナー氏は、ポンプを使って水路を下り、ブラックホールを模した障壁を越える様子を観察する作業を監督しました。当初、科学者たちは水に振動（音）を送ることを考えていましたが、水中での音速は秒速1500メートルで、小規模な実験室実験で研究するのは困難だとヴァインフルトナー氏はギズモードに語りました。そこで彼らは、海で見られるような物理的な波を障壁の向こうに送ることに決めました。
研究チームは2010年に最初の研究結果を発表しました。彼らが生成した波が障壁と相互作用すると、障壁の両側に波のペアが生成されました。これは、ホーキングが事象の地平線の両側、つまりブラックホールの内外に現れると予測した粒子のペアに似ています。ホーキングとウンルーによる他の理論的研究は、ブラックホールが「熱」または「黒体」スペクトルの波長を放射することを示唆しており、そのスペクトルはブラックホールの温度のみに基づいており、ブラックホールの場合、温度は質量に直接関連しています。ヴァインフルトナーの水槽からの波は驚くほど類似したスペクトルを生成し、研究チームはこの類似システムで「誘導」ホーキング放出を測定したと主張しました。
「ブラックホールの放射は、おそらく最も特異なプロセスの一つです」とヴァインフルトナー氏はギズモードに語った。「彼女の実験のおかげで、このプロセスを実験室で再現できるのです。」
より複雑なダムホールが次々と開発され、ヴァインフルトナーは最終的に自身のグループ（現在は英国ノッティンガム大学）を率い、回転する流体の渦からブラックホールの類似現象を考案した。この渦は、液体上を伝わる波動を増幅し、そこに反射した波を増幅させる。この実験は、実験室で超放射と呼ばれる現象を初めて観測した事例となった。これは、回転するブラックホールが周囲の空間にある粒子を加速させるペンローズ過程に類似している。
過去10年ほどの間に、科学者たちは同様の概念に基づいた様々な類似例を生み出してきました。レーザー光は、一時的に特性を変化させて光の速度を変えたガラスを通過する際に、ホーキング放射に似た光粒子を生成します。しかし、これらの類似例には、現実のブラックホールにおけるホーキング放射を支配する量子特性の一部が欠けていました。アンルー氏は、これらのシステムはあまりにも高温になりすぎて、物体が熱を持たない温度である絶対零度よりほんの少し高い温度で起こる微小な効果を観測できないと説明しました。
アンルーがこれらの量子効果をアナログ系で観測しようと初めて考えたとき、彼は必要な低温に到達できるとは考えていなかった。しかし、20年前、ニューメキシコ州サンタフェで開催された会議でこのことを話すと、物理学者のマーク・ライゼンは、ボーズ・アインシュタイン凝縮体と呼ばれる実験系で、ほぼ十分な低温がすでに実現可能だと彼に告げた。そして今年、テクニオン・イスラエル工科大学のスタインハウアーは、これまでで最もブラックホールに似たアナログ系の一つで、これらの量子効果を発見したかもしれない。
シュタインハウアー氏はギズモードの取材に対し、長年ボーズ＝アインシュタイン凝縮の研究をしてきたと語った。ボーズ＝アインシュタイン凝縮とは、ほぼマクロスケールで量子力学的効果を示す極低温の原子集合体である。彼はボーズ＝アインシュタイン凝縮を用いて音波ベースのブラックホールを生成できる可能性を耳にし、サイドプロジェクトとして研究を始めた。そして、実際にこのシステムを構築する方法を編み出すと、この「執念深い」「完璧主義者」な物理学者はすべてを放り投げ、音波ブラックホールの研究に全力で取り組み始めた。
シュタインハウアーのシステムは、概念的には境界を越える水の流れに似ています。数十マイクロメートル幅の小さな管状の領域に、レーザーで捕捉された数千個のルビジウム原子が含まれています。追加のレーザーによってエネルギー差（境界）が作られ、それが原子間を移動して滝のように機能します。データは、原子が境界を越える地点から記録されます。川を逆方向に移動する崖が、静止した崖の上を流れる川と同じくらい滝のように見えることを想像してみてください。境界から見ると、音は境界の両側で異なる速度で伝わります。境界の上側では原子の密度が高く動きが遅いため速く、下側では原子の密度が低く動きが速いため遅くなります。音の最小単位であるフォノンは、音速が原子の速度よりも遅いため、境界の上側ではどちらの方向にも伝わります。反対側（滝の底）では、原子は音波が原子を通過するよりも速く動いています。フォノンは境界に戻ることができず、音のブラックホールに閉じ込められてしまいます。
スタインハウアー氏は2014年と2016年に結果を発表し、対応するフォノン間の不気味な量子相関のヒントを示しました。この夏、ポスドクのフアン・ラモン・ムニョス・デ・ノヴァ氏、学生のカトリーン・ゴルブコフ氏とビクター・I・コロボフ氏も加わり、スタインハウアー氏は21の改良を加えた実験結果を7,400回以上発表しました。熱スペクトル、つまりシステムの重力類似性のみに基づいた波長を持つブラックホールのような放射が、ホーキングが思い描いた通り、音波生成入力のないシステム設定の結果としてのみ、データに自発的に現れたとスタインハウアー氏はGizmodoに語りました。彼らは「ホーキング温度」、つまり実際のブラックホールにおけるホーキング放射の性質を決定する温度との類似性さえも抽出することができました。
今日、科学者たちは実験室でブラックホールの物理法則を模倣するシステムを開発しています。彼らはこれらのシステムを用いて、理論上のブラックホールの特性を再現し続けたいと考えています。しかし、現実のブラックホールが実際にこのように振る舞うかどうかを確認できなければ、何の役に立つのでしょうか？
おそらく最も重要なのは、これらの類似例が理論家たちに、彼らの研究が全く的外れではないことを示していることだとアンルー氏は述べた。「この現象は非常に普遍的であることが判明しました。実に様々な状況で発生するのです。」
科学者の中には、ブラックホールを使って流体や冷却原子を研究することに関心を持つ者もいれば、その逆に興味を持つ者もいる。「流体や超流体が極限状態に達したときに生じるこうした小さな変動を理解するには、まだ学ぶべきことがたくさんあります」とヴァインフルトナー氏は述べた。
しかし、これらの類似体が実際のブラックホールにどれほど近いのか疑問視する声もある。「類似体が宇宙について何かを教えてくれるかどうかについては、広く議論されています」と、スコットランドのグラスゴー大学で量子技術を研究するダニエレ・ファッチョ教授はギズモードに語った。ファッチョ教授は自身もブラックホール類似体の研究に取り組んでおり、理論の背後にある数学が正しいことを証明していると認めている。「しかし、私の個人的な意見としては、実際のブラックホールがホーキング放射を放出しているのか、あるいは実験室で観測されるのと全く同じ挙動を示すのかは、これらの類似体では分からないということです」
これらの議論はブラックホール物理学にとどまりません。遠方の宇宙を支配していると思われる理論の背後にある数学は、奇妙な金属や冷却原子を用いた高度に工学的に設計された実験室環境で時折現れます。ボース＝アインシュタイン凝縮体を用いてビッグバンを模倣する実験を考案した科学者もいます。いつの日か、これらの実験室実験によって新たな挙動が明らかになり、それが宇宙で観測されるようになるかもしれません。
「今のところ、多くのアナロジーは、私たちの研究室でこれらの手順を実行できることを示す、いわば原理実証的な実験のようなものになっています」と、メリーランド大学共同量子研究所の非常勤教授兼共同所長であるグレッチェン・キャンベル氏はギズモードに語った。「宇宙への新たな洞察を提供できるかどうか、興味深いところです」
しかし、ブラックホールは滝ではありません。私たちの技術が真のブラックホールの性質を理解できるようになるかどうかは、まだ分かりません。実験室における流体、光線、冷却原子の挙動が、それらの挙動を支配する数学が似ているように見えるため、ホーキングの計算を信頼できるかどうかは、あなた次第です。「確かにそうだと思います。しかし、それはほぼすべての科学者が自ら答えを出さなければならない問題です」とアンルーは言いました。
