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超流動ヘリウムにブラックホールと類似の性質-「ホログラフィック原理」か

バーモント大学の研究チームは、ブラックホールの研究によって発見された「面積則」と呼ばれる性質が、極低温の超流動ヘリウムにおいても現れることを確認したと発表した。量子コンピュータで利用される「量子もつれ現象」の理解や、一般相対性理論と量子力学を統合する量子重力理論の構築などを進める上で、役立つ知見になると期待される。研究論文は、物理学専門誌「Nature Physics」に掲載された。

 

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球体状のヘリウム原子集団(緑)とその外側を取り囲むより大きなヘリウム原子集団(青)のあいだにブラックホールと同様の「面積則」が成り立つ(出所:バーモント大学)

ブラックホールの面積則とは、ブラックホールのエントロピーが、ブラックホールの体積ではなく表面積に比例するという性質である。ある量の情報がブラックホールの内部に吸い込まれたとすると、ブラックホールがもつエントロピーはその分だけ増加する。面積則によれば、このときのエントロピーの増分は、ブラックホールの体積増加ではなく表面積の増加として表される。

この法則は、1970年代に物理学者のスティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインらが行ったブラックホールの熱力学に関する研究を通して発見された。ブラックホールの面積則から分かることは、ブラックホールの内部に収めることができる情報量は、ブラックホールの体積ではなく表面積によって制限されるということである。たとえばブラックホールの直径が2倍になれば、表面積は4倍、体積は8倍になるが、内部空間に収容可能な情報量は、直感に反して8倍ではなく4倍にしか増えないことになる。

レオナルド・サスキンドとジェラルド・トフーフトはこの考えを発展させ、「ブラックホールに吸い込まれた情報はその内部ではなく表面に保存される」とする「ホログラフィック原理」を提唱した。ホログラフィック原理からは、ブラックホールに限らず、この宇宙のすべての情報が二次元平面に保存されている可能性があることも示唆されており、現代物理学の重要な研究テーマのひとつとなっている。

今回の研究では、ブラックホールのこうした奇妙な性質との共通性が、超流動ヘリウムという、実験室で扱うことのできる現実の物質で見つかった点が注目される。

 

以下略

***************************************記事写真引用

 

【要 約】
バーモント大学の研究チームは、ブラックホールの研究によって発見された「面積則」と呼ばれる性質が、極低温の超流動ヘリウムにおいても現れることを確認したと発表した。量子コンピュータで利用される「量子もつれ現象」の理解や、一般相対性理論と量子力学を統合する量子重力理論の構築などを進める上で、役立つ知見になると期待される。研究論文は、物理学専門誌「Nature Physics」に掲載された。
ブラックホールの面積則とは、ブラックホールのエントロピーが、ブラックホールの体積ではなく表面積に比例するという性質である。ある量の情報がブラックホールの内部に吸い込まれたとすると、ブラックホールがもつエントロピーはその分だけ増加する。面積則によれば、このときのエントロピーの増分は、ブラックホールの体積増加ではなく表面積の増加として表される。
この法則は、1970年代に物理学者のスティーブン・ホーキングとヤコブ・ベッケンシュタインらが行ったブラックホールの熱力学に関する研究を通して発見された。ブラックホールの面積則から分かることは、ブラックホールの内部に収めることができる情報量は、ブラックホールの体積ではなく表面積によって制限されるということである。たとえばブラックホールの直径が2倍になれば、表面積は4倍、体積は8倍になるが、内部空間に収容可能な情報量は、直感に反して8倍ではなく4倍にしか増えないことになる。
レオナルド・サスキンドとジェラルド・トフーフトはこの考えを発展させ、「ブラックホールに吸い込まれた情報はその内部ではなく表面に保存される」とする「ホログラフィック原理」を提唱した。ホログラフィック原理からは、ブラックホールに限らず、この宇宙のすべての情報が二次元平面に保存されている可能性があることも示唆されており、現代物理学の重要な研究テーマのひとつとなっている。
今回の研究では、ブラックホールのこうした奇妙な性質との共通性が、超流動ヘリウムという、実験室で扱うことのできる現実の物質で見つかった点が注目される。

 

【コメント】情報部:下田
宇宙のホログラフィック原理を研究するのに、こうした流動体ヘリウムの活用が有効ではないかということを示唆したことが大きな成果である。
宇宙は二次元のホログラフィックであるとしても、実感としてはなかなかそうは思えないかもしれない。

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