フランスのソルボンヌ大学（SU）で行われた研究によって、「光の液体」の流れを自由に制御することで、実験室内にミニチュアの時空とブラックホールの地平面を再現し、さらに内部で負のエネルギー派が存在することが確かめられました。
この負のエネルギー波は通常の波と衝突すると消滅すると考えられています。
また「光の液体」では粒子が川のように流れ、その速さが波の伝わる速さを追い越す瞬間、波は二度と上流へ戻れなくなる「事象の平面」の光版とも言うべき「光の地平面」を形成し、加えてホーキング放射の兆候もみられました。
光流体という奇抜な実験系で負のエネルギー波が観測されたのは世界初です。
研究者たちは、このテーブルサイズのブラックホールは、従来は理論上の存在だった「ホーキング放射」（ブラックホールが粒子を放出するという理論的予測）を、実験室で詳しく調べられる方法になると述べています。
果たしてこの手のひらサイズの“机上の宇宙”は、極限の天体物理にどこまで迫れるのでしょうか？
研究内容の詳細は2025年6月6日に『Physical Review Letters』にて発表されました。
目次
- なぜブラックホールを縮小コピーするのか
- 「光の液体」でできた時空とブラックホールが誕生
- 机上ブラックホールが開く量子重力の扉
なぜブラックホールを縮小コピーするのか
宇宙に存在するブラックホールは、重力が非常に強いため光さえも逃れられない領域を持ちます。
この境界が「事象の地平面（event horizon）」です。
一度この地平面を越えると、内部からは何も外に出られないため「戻れない境界（ポイント・オブ・ノーリターン）」とも呼ばれます。
1970年代に物理学者スティーブン・ホーキングは、この地平面の量子効果としてブラックホールがわずかな放射（ホーキング放射）を放つと理論予言しました。
ホーキング放射とは何か？
ホーキング放射は、ブラックホールのすぐ外側で起こる量子の“いたずら”の結果だと考えるとイメージしやすいです。
宇宙空間は真空と呼ばれていても完全な空っぽではなく、ほんの一瞬だけ現れてはすぐに打ち消し合う粒子と反粒子のペアが、泡のように生まれては消える現象――量子ゆらぎ――が絶えず起きています。
ふつうはペアがそろって消えるため外からは何も見えませんが、ブラックホールの境界である「事象の地平面」は一種の崖のように空間を大きくゆがめているため、ペアの片方が崖の内側へ吸い込まれ、もう片方が外側へ取り残されることがあります。崖の内側へ落ちた粒子はブラックホールにエネルギーを“借りた”まま消えるため、残された相方はその借りを返す形で本物の粒子として外へ飛び出し、遠くの観測者には「ブラックホールから光や粒子が放たれた」ように見えるのです。
外へ出た粒子はブラックホールの質量をほんのわずかに奪っていくので、長い時間をかけるとブラックホール自身が少しずつ軽くなり、やがて蒸発してしまう――これがホーキング放射の核心です。言い換えれば、ブラックホールは光さえ逃げられない闇の穴である一方、量子の揺らぎを通じてごく弱い“体温”を持ち、その熱でゆっくりと身を削り続ける存在だと捉えられるのです。
あえて擬人化すれば、ホーキング放射は真空から誕生した双子がブラックホールの縁で引き裂かれ、生き残った片割れが復讐のためブラックホールからエネルギーを盗んで宇宙へ持ち逃げする現象なのです。
そしてブラックホールが存在し続ける限りこの双子の引き裂きとエネルギーの持ち去りは続くため、どんな巨大なブラックホールもやがては消え去ってしまう運命にあるわけです。
しかし、このホーキング放射は極めて微弱で宇宙背景のノイズに埋もれてしまうため、実際の天体ブラックホールで直接観測することは極めて困難です。
そこで科学者たちは、ブラックホールと似た状況を実験室で再現し、その現象を“模型”で確かめようと試みています。
具体的には、水槽で排水口に水が流れ込む様子が水面波にとっての地平面のアナログになるように、「音の速さ」を境に流体の流れを亜音速から超音速へと遷移させると、音波に対して事象の地平面に相当する境界（音響の地平面）が現れることが知られています。
この音響の地平面では、境界を挟んで対になった波（粒子）が生まれると予測され、それがホーキング放射の類似となります。
従来の実験では、この「流体中の地平面」を自在に作り出し、その周辺で起こる現象を詳細に観測することは大きな挑戦でした。
そこで研究者が考えたのが、重力そのものではなく 「光の流れ」を曲げて、時空が曲がったのとそっくりの状況をミニチュアで作る 方法です。
「私たちは、こうしたアナログ実験によって人間の手では直接触れることのできない物理現象を探究したいのです」と、本研究を主導したフランス・ソルボンヌ大学カストラー・ブロッセル研究所のマキシム・ジャケ研究員は語っています。
ブラックホールそのものを操作することはできませんが、実験室内のモデルであれば時空の曲がり具合（時空の「曲率」）を人為的に調節し、その上で起こる現象を詳細に測定できます。
このような「アナログ重力実験」によって、ブラックホール物理や量子重力理論の予言を検証することが本研究の目的です。
「光の液体」でできた時空とブラックホールが誕生
研究チームはポラリトンという粒子を集めて作る「光の液体」を用いて実験を行いました。
「光の液体」の作り方は、光を二枚の鏡のあいだに閉じこめ、そこへレーザーを当てるというものです。
すると光の粒（光子）は薄い膜をつくる結晶の中で起きている微細な“揺れ”と腕を組み、一種のハイブリッド粒子に変わります。
イメージとしては、光が結晶そのものの小刻みな振動に巻き込まれて生まれた“光のあわ粒”とでも呼べる存在です。
光の液体「ポラリトン」とは何か？
小さな鏡を向かい合わせにして、そのすき間にごく薄い結晶の膜をはさみ、そこへレーザー光を閉じこめると、光の粒は逃げ場をなくして何度も反射しながら膜の中で震えるリズムと出会います。
取り出すとただの光ですが、この結晶間を反射し続ける光は結晶の持つ振動の要素を取り込み量子的には光と結晶の両方を併せ持つ性質を持つようになります。
具体的には、このとき光は単なるエネルギーの波ではなく、結晶の揺れがもつ“重さ”や“押し合いへし合い”の性質をも取り込んだハイブリッド粒子—ポラリトン—として振る舞います。
光そのものと結晶のリズムが腕を組んでできた“光のあわ粒”と呼べる存在とも言えるでしょう。
普通の光はまっすぐ飛び去りますが、あわ粒になった光は仲間どうしで押し合いへし合いを始め、シロップのように滑らかな流れをつくり、水や空気と同じように波や渦を立てる「液体」として振る舞います。
しかし先に述べたように、この不思議な姿は、鏡と薄膜から成る“小劇場”の中だけで上演される特別な演目で、空洞を開放すると光子と結晶振動の結合が断たれるため、ポラリトンは分解され、光は再び通常の光子として空間に飛び去ります。
つまりポラリトンとは、舞台の上では光と物質の性質を半分ずつ受け継ぎ、光でありながら液体のように集団で動く――そんな新しい“新しいハイブリッド粒子”なのです。
（※より詳しくは、ポラリトンは半導体中の電子と正孔（対になった粒子で「励起子」と呼ばれる）と光子が強く結合して生まれるハイブリッド粒子で、二枚の鏡でできた微小な空洞（マイクロキャビティ）に光を閉じ込めることで作り出されます。）
またこの光の液体（ポラリトン）は、水面に波が立つのと同じ理屈で揺らぎ（量子の波）を生み、まるで摩擦のない量子液体のように光が流れる性質を示します。
また流れの速度を場所によって変えると、ゆっくり流れる領域と一気に加速する領域に別けることが可能です。
そして驚くべきことに、この光の液体にはまるでブラックホールのような性質を与えることが可能なのです。
たとえばレーザーの当て方を変え、流れの一部だけを急激に速くすると、川に滝の縁ができるのと同じで、“ゆっくり流れる上流”と“ものすごい勢いで下る下流”の境目が生まれます。
上流では波が遡って戻ることができますが、一度その境目を越えて下流に入ると、波の進む速度より川の流れのほうが速いため、もう上流へは戻れません。
この一方通行の境目が、ブラックホールで言う「事象の地平面」にそっくりなのです。
さらに、真空でも一瞬だけ生まれては消える粒子のペアがあるように、光の液体でも量子的な揺らぎから小さな波のペアが生まれます。
（※光の地平線付近では理論上、量子真空ゆらぎから波のペアが生まれ、一方が内側へ、他方が外側へ分離すると考えられます。今回の実験では自然に湧いたペアそのものではなく、弱い探査レーザーで波を刺激し、その片割れとして負のエネルギー波を検出しましたが、ペア分離というホーキング放射の要となる機構を実験的に裏づけた点が重要です。）
境目の上流側に残った波は観測者が“見る”ことができ、下流側に取り残された相方は滝つぼへ落ち込むように流れに飲み込まれます。
その結果、外からは「境目から何かが放たれている」ように見える――これがホーキング放射をまねた現象です。
つまり、光の液体でブラックホールのような状態を作れる要点は、光そのものを“流れ”に変え、その速さを人為的にコントロールして、波が戻れなくなる滝の縁を実験室に描ける点にあります。
光と結晶の揺れが協力して生んだ“光のあわ粒”は、重力ではなく“流れの速さ”を使って、宇宙でしか起きないはずの地平面をテーブルの上に縮小コピーしてくれるのです。
研究チームはレーザーを使ってこのポラリトン流体を作り出し、その流れる速度に空間的な勾配（傾き）を持たせることで、流体の中に亜音速から超音速へと速度が変化する領域を作りました。
ちょうど川の流れが急に早くなる場所に波の地平面ができるように、ポラリトンの光の液体の中にも「光の地平面」とも言うべき境界が形成されたのです。
この地平面の性質を調べるために、研究者たちは最新の分光技術で光の液体に潜む微小な波をすくい取り、エネルギーの分布を精密に測定しました。
その結果、地平面の内側では通常は存在しないはずの“負のエネルギー”をもつ波がくっきり現れていることを確認しました。
この負のエネルギーの波は、地平面を挟んで生成された粒子ペアの一方に相当し、本来のホーキング放射で言うところの「ブラックホールで言えば内部側に落ち込むパートナー粒子」を表しています。
つまり研究チームは、ブラックホールのホーキング放射に例えられる現象の“第一声”を、実験室で初めてはっきり聞き取ったのです。
負のエネルギーを持つ波とは何か？
ここで言う“負のエネルギーをもつ波”とは、ポラリトン流体の中で揺らぐ波の一種で、観測者が立っている実験室（静止した基準）から見ると、エネルギーの符号が逆向きに数えられるという特殊な性質をもっています。一見すると普通のさざ波と変わらないのに、流れの速い川でボートをこいだときのように、進む向きとエネルギーの向きが食い違っている波とも言えます。
ポラリトンという光の粒が作る川では、流れが遅い上流では波はプラスのエネルギーを背負って下流へ進みますが、川幅が急に狭まり猛烈な急流になる「地平面」の内側に入ると、川の速さが波の走る速さを追い越してしまいます。その結果、波は見かけ上、川からエネルギーを抜き取る借金取りのように振る舞い、外から測るとマイナス符号のエネルギーを持った波として観測されます。実際、もしこの借金波が、上流からやって来る貯金をもった波とぶつかれば、両者のエネルギーは差し引きで相殺され、貯金側の波は勢いを削がれて小さくなるか、条件がそろえば完全に消えてしまいます。つまり負のエネルギー波は、エネルギーの帳尻を合わせる“赤字担当”として、ホーキング放射やブラックホール周辺で起こる吸収や増幅の仕組みを支える影の主役なのです。
同様の性質は先ほどのホーキング放射で説明したように本物のブラックホールでもみられます。ブラックホールのまわりでは空間だけでなく時間まで強くゆがみます。地平面をほんのわずかでも越えると、その坂はあまりに急で、どんな物質や光も外向きに進もうとするより速く内向きに流れる“時の川”に押し戻され、未来へ進むこととブラックホールの中心へ落ち込むことが同義になります。そして内側へ落ち込んだ粒子が負の符号をもったエネルギーを持つことになります。光の液体の場合も、光の地平面を超えた波は負のエネルギーを持つという点は、本物のブラックホールの負のエネルギーを持つ粒子はよく似た現象と考えられています。
この結果は、光の液体において地平面が確かに形成されたことを示す明確な証拠です。
さらに先に述べたように研究チームは、この人工地平面の性質を自在に変えることにも成功しました。
地平面をなす流速変化の勾配をゆるやかにして「滑らかな地平面」を作った場合と、急峻に変化させて「急な地平面」を作った場合とで、そこで観測される放射の特徴が異なることを突き止めたのです。
流れの速さとホーキング放射の勢いの関係も再現できた
理論の上では「勾配が急＝地平面が鋭い」ほどホーキング放射は勢いよく出ると考えられています。理由は、放射の熱さを決める“ホーキング温度”が地平面における流速の傾き、に比例するためで、川の流れで言えばなだらかな瀬よりも滝壺の縁のほうが水しぶきが激しくなるイメージに近いのです。
今回の実験でも、緩い勾配で作った滑らかな地平面では弱くて整った“熱的”な色分布が観測され、急峻な地平面では低い周波数側が大きく盛り上がる歪んだ分布が現れて「放射が強まりそうだ」という兆しが見えました。
ただし装置の感度が追いつかず、実際にどれだけ粒子が増えたかを数え切るところまでは至っていません。今後は検出器のノイズをさらに減らし、急峻ケースで漏れ出す粒子の総量とスペクトル形状を正確に測り、理論が示す“滝壺ほど熱く激しい”という予測を実験的に裏づけることが課題になります。
この違いは、ブラックホールの事象の地平面が緩やかな場合と急激な場合でホーキング放射の様子が変わることを示唆しており、理論的にも予測されていた現象です。
また興味深いことに、今回の光の液体では発生する波（粒子）の振る舞いを質量がない場合（音波のような振る舞い）だけでなく、有効的に質量を持つ粒子のように振る舞わせることも可能だと分かりました。
（※レーザーの強さを変えると、光の色の並びにできる“隙間”が出たり消えたり、この隙間は粒子が重さを持つサインとして見ることができるので、レーザーの強弱で粒子が重さを付けたり外したりできると分かったのです。）
これは他の物理系にはない独自の可変性であり、光の液体による時空シミュレーションの幅広さを示しています。
机上ブラックホールが開く量子重力の扉
この研究は、光で作った流体を使って時空の曲がった環境における量子現象を実験的に再現できることを示した画期的成果です。
特に、ブラックホールの模型でホーキング放射に関連する兆候（負のエネルギーの波の出現）を捉えた点は大きな前進と言えます。
「天体観測では誰も確かめようのない現象でも、実験室ではそれが可能かもしれません」とジャケ研究員は述べており、今回の成果が現実のブラックホール物理に迫る有力な手段となることを強調しています。
ただし彼も認めるように、たとえ模型とはいえ実験室のブラックホールと宇宙の実在のブラックホールではスケールも環境も大きく異なります。
そのため、今回の結果が直接ホーキング放射の実在を証明したわけではありません。
しかし、モデル系であってもホーキング効果の核心部分である「地平面で生まれる量子もつれペア」の片鱗を捉えたことは、今後の研究に大きな希望を与えます。
今後、この光の液体の実験系をさらに発展させることで、ホーキング放射そのもの（境界を挟んで生成するペア粒子同士の相関＝量子もつれ）の検出を目指す計画もあります。
幸い、光を用いた系であれば量子光学の高度な手法を駆使することで、ごく微弱な相関シグナルであっても捉えられる可能性があります。
また、地平面以外の極端な時空のモデル（たとえばブラックホールの代わりに提案されている仮想的なコンパクト天体）についても、同様の手法でシミュレートし現象を解析できるかもしれません。
また過去には水を使用した実験でも、水の地平面が出現し、ブラックホールやホワイトホール、そしてホーキング放射を模倣する現象がみられました。
なぜ身近に「事象の地平面」のような現象があふれているのか？
水面にできる浅い「滝」と、光の液体に作られた急流、そして宇宙に浮かぶブラックホール──これら三つのあいだで起こる現象は、動かす力そのものはまったく別物なのに、波や光が感じる“環境のかたち”が数学的にそっくりという点で結びついています。水面では重力と水圧が流速を決め、光の液体ではレーザーのポンプ強度が流れを支配し、ブラックホールでは時空そのものが質量で曲げられます。しかし、流れが波の伝わる速さを追い越す境目では「こちら側へ戻れなくなる」という 一方通行の条件 が共通に立ち上がります。この境目を数式で表すと、どのケースも“波の速度より流れが速い”という kinematic（運動学的）な条件に帰着し、波の方程式は同じ形の「有効時空」を感じて動くことになります。
つまり、ブラックホールの事象の地平面が示すのは重力場そのものの極端さですが、波の立場から見ると「逃げ道をふさぐ流れ」というもっと一般的な状況としても現れるわけです。そこで浅い水や光の液体を使えば、地平面そのものの“形”や、ホーキング放射に相当するペア生成などの 表面現象（きわ） を身近な実験でまねできるというわけです。ただし違いも重要で、ブラックホールでは流れを生むのが時空の曲率＝重力であり、内側には特異点や強い時空のダイナミクスが存在します。水や光の液体に作った地平面はあくまで「波を一方向に閉じ込める速い流れ」という 運動学的コピー にすぎず、重力そのものやブラックホール内部の物理までは再現できません。
したがって、身の回りの流体で見える地平面は「極端な現象の骨格となる運動学的ルールは意外と普遍的だ」と示す一方で、「そのルールを生み出す力学（重力・水圧・光‐物質相互作用）はケースごとに異なる」ことを同時に教えてくれます。身近な実験はブラックホールを丸ごと縮小コピーしたわけではありませんが、少なくとも “波が逃げ出せない境目”という核心部分 を共有しているため、地平面周辺の量子現象をテストする有効な模型として働く、というのが現在の理解です。
このように「光の液体で時空をシミュレートする」研究は、重力と量子の世界を結びつける新たなアプローチとして注目されています。
ブラックホールの謎に挑む壮大なテーマを、実験室という身近な場で探求できるようになったことは、科学好きの一般の方々にとっても興味深い進展と言えるでしょう。
今後、実験技術のさらなる改良によってホーキング放射の直接的な検出や、量子重力理論の検証につながる成果が報告される日も近いかもしれません。
その日を迎えるために、研究者たちは引き続き「光の液体」の中に潜む時空の秘密を探っていくことでしょう。
元論文
Polariton fluids as quantum field theory simulators on tailored curved spacetimes
https://doi.org/10.1103/t5dh-rx6w
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部
