ブラックホールは、宇宙で最も奇妙な天体の1つだが、新たな研究によると、これまで以上に奇妙な性質を持っている事が明らかになった。その特性とは、有名な「シュレーディンガーの猫」のような、死んでいるのに生きているような、そんな奇妙な性質とのことだ。

この研究は、コンピュータ・モデリングに基づいて行われ、ブラックホールなどの超巨大天体がもつ驚異的な時間の歪みの物理と、最も小さな素粒子の振る舞いを導く原理との間に、つかみどころのない関係を見いだすことを目的としている。

研究チームは、巨大な模擬ブラックホールのすぐ外側に模擬量子粒子を配置する数学的フレームワークを開発した。質量はブラックホールを特徴づけるものであり、量子ブラックホールが当然質量の重ね合わせをもつと考えるのが妥当であるため、質量に着目したのである。そして、このシミュレーションにより、ブラックホールが量子的な重ね合わせの兆候を示すことがわかった。

「我々は、(ブラックホールが)同時に荒々しく異なる質量を持つことができるかどうかを見たかったのですが、それが判明しました。今まで、ブラックホールが量子物理学の奇妙で素晴らしい振る舞いを見せるかどうか、深く調査してきませんでした。」と、研究の主執筆者でクイーンズランド大学の理論物理学の博士研究者であるJoshua Foo（ジョシュア・フー）氏は声明で述べている。

量子重ね合わせの最もよく知られた例は、かの有名なシュレーディンガーの猫だろう。20世紀初頭の物理学者Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger（エルヴィン・シュレーディンガー）が、量子物理学の重要な問題のいくつかを示すために考案した思考実験である。量子力学では、素粒子は外界と相互作用するまで、同時に複数の状態で存在すると考えられている。この相互作用は、測定や観測という単純な行為である可能性もあるが、粒子を可能な状態のいずれかに投げ込む。

Schrödingerは1933年にノーベル物理学賞を受賞しているが、この実験は、量子論の不合理さを示すことを意図していた。なぜなら、箱の中に閉じ込められた猫は、観察者が重ね合わせ状態を解除するまで、原子のランダムな挙動によって、死んだ状態にも生きた状態にもなりうるということになるからだ。

しかし、その結果、箱の中の猫は観察者の行動に関係なく死んでいる可能性がある一方で、量子粒子は確かに二重状態で存在する可能性があることが判明した。そして、この新しい研究は、ブラックホールも同様に存在することを示している。

ブラックホールが量子的な性質を持つ可能性を最初に提唱したのは、アメリカとイスラエルの理論物理学者Jacob Bekenstein（ジェイコブ・ベッケンシュタイン）だ。

「我々のモデリングは、これらの重ね合わせた質量が、実際に、Bekensteinが予測したように、ある決められたバンドや比率にあることを示しました。私たちは、このようなパターンを想定していなかったので、このような証拠を見つけたことは、非常に驚きでした。」、研究の共同指導者であるクイーンズランド大学の物理学者、Magdalena Zych（マグダレーナ・ジッチ）氏は声明の中で述べている。

この結果は、量子ブラックホールや重ね合わせ時空のような量子重力の概念を将来的に調査するための道筋を与えてくれると、研究者達は述べている。量子重力を完全に記述するためには、これらの概念を取り入れることが重要だ。

また、今回の研究により、重ね合わせた時空と、その中の粒子に与える影響について、より詳細な調査が可能になった。

ブラックホール内部で何が起こっているのかの解明に近づいたというわけではないが、しかし、それが何であれ、おそらく我々の想像以上に幻想的なものなのだろう。

研究の要旨

我々は、量子重力理論の開発において重要な意味を持つ「時空の重ね合わせ」を研究するための新しい操作の枠組みを提示する。このアプローチは、曲がった時空の量子場理論における非局所的な相関を利用し、時空の重ね合わせのためのメトリックを定式化すると同時に、粒子検出器の量子場への結合を特徴付けることを可能にするものである。この方法を用いて、Banados-Teitelboim-Zanelliブラックホールによる質量の重ね合わせの時空における検出器（Unruh-deWittモデル）のダイナミクスを解析する。この検出器は、量子重力におけるブラックホールの量子化された質量スペクトルに関するBekensteinの重大な予想を裏付け、拡張する量子重力効果のサインを示すことを発見した。この結果は、ブラックホールの質量特性について何の仮定も必要とせず、我々のアプローチから直接導かれるものであることが重要である。