[論文レビュー] From Vacuum Fluctuations to Radiation: Accelerated Detectors and Black Holes

S. Massar, R. Parentani|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 1994

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、真空揺動が2つの文脈—加速する検出器とブラックホールの事象の地平面—においてどのように放射を生じさせるかを調査する。弱測定形式を用いて、一様に加速する原子の各遷移がミンコフスキー光子を放出することを示し、ブラックホールの状況では、真空揺動がホーキング量子（正のエネルギー）とその相棒（負のエネルギー）に分裂することが判明する。エネルギー密度が指数関数的に増大するため、顕著なバックレアクション効果が生じる。

ABSTRACT

The vacuum fluctuations that induce the transitions and the thermalisation of a uniformly accelerated two level atom are studied in detail. Their energy content is revealed through the weak measurement formalism of Aharonov et al. It is shown that each time the detector makes a transition it radiates a Minkowski photon. The same analysis is then applied to the conversion of vacuum fluctuations into real quanta in the context of black hole radiation. Initially these fluctuations are located around the light like geodesic that shall generate the horizon and carry zero total energy. However upon exiting from the star they break up into two pieces one of which gradually acquires positive energy and becomes a Hawking quantum, the other, its ''partner", ends up in the singularity. As time goes by the vacuum fluctuations generating Hawking quanta have exponentially large energy densities. This implies that back reaction effects are large.

研究の動機と目的

• 相対論的量子場理論における真空揺動から生じる放射の起源を理解すること。
• 一様に加速する二準位検出器における遷移を引き起こす真空揺動のエネルギー内容を分析すること。
• 特に、真空揺動がホーキング放射を生じさせるメカニズムを含め、ブラックホール時空への分析を拡張すること。
• 事象の地平線付近で、真空揺動から実在の量子が生成される過程におけるエネルギー保存則とバックレアクションの役割を評価すること。
• 個々の量子遷移が運ぶエネルギーを明らかにするために、弱測定形式を適用すること。

提案手法

• アハロノフらの弱測定形式を用いて、真空揺動からのエネルギー含量を抽出する。
• ミンコフスキー時空における量子場に結合された一様に加速する二準位検出器を分析する。
• 崩壊する星の未来の事象の地平面付近での真空揺動の時間発展を追跡する。
• 揺動が二つの部分に分裂することを特定する：一方は無限遠に到達するホーキング量子として脱出するが、他方は特異点へ落下する。
• 時間経過に伴う真空揺動のエネルギー密度を計算し、指数関数的な増大を示す。
• 慣性系と加速系の両方のフレームに形式を適用し、異なる参照系における放射放出を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一様に加速する検出器の場合、真空揺動はどのように検出可能な放射を生じるか？
• RQ2 加速する検出器における遷移を引き起こす真空揺動のエネルギー含量は何か？
• RQ3 ブラックホールの事象の地平面付近の真空揺動は、どのようにホーキング放射のような実在の量子に進化するか？
• RQ4 エネルギー保存則と相棒粒子は、放射過程においてどのような役割を果たすか？
• RQ5 真空揺動のエネルギー密度が増大することで、バックレアクション効果はどの程度顕著になるか？

主な発見

• 一様に加速する二準位検出器における各遷移は、弱測定によって明らかにされたように、ミンコフスキー光子の放出に対応する。
• 崩壊する星の事象の地平面付近の真空揺動は、初期には光的測地線に集中しており、合計エネルギーはゼロである。
• 星を脱出する際、これらの揺動は二つの部分に分裂する：一方は正のエネルギーを獲得しホーキング量子となるが、他方は負のエネルギーを携えて特異点へ落下する。
• ホーキング量子を生成する真空揺動のエネルギー密度は、時間とともに指数関数的に増大する。
• 指数関数的に増大するエネルギー密度は、時空幾何に及ぼすバックレアクション効果が顕著であり、無視できないことを示唆する。
• 分析により、放射過程が真空揺動の力学的性質とそのエネルギー分布に根本的に結びついていることが確認された。