[論文レビュー] Scattering of surface waves on an analogue black hole

Léo-Paul Euvé, Scott Robertson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、長波長の表面波を用いた水路実験を通じて、超臨界流がブラックホールの事象の地平線を模倣する状況を実験的に示した。この実験では、非分散的有効時空理論の予測と一致する3つの出射波（うち1つは異常な逆向きに伝播する波）が観測された。2点相関関数からは、地平線に起因するピークが検出され、古典的流体力学におけるホーキング効果のアナログ的現象が示唆された。

ABSTRACT

We have realized a stationary transcritical flow of water in a flume that possesses the analogue of a black hole horizon for long-wavelength surface waves. The horizon has been probed via the scattering of an incident co-current wave, which partially scatters into counter-current waves on either side of the horizon, yielding three outgoing waves (of which one is anomalous) rather than two in the absence of transcriticality. The measured scattering coefficients are in good agreement with the predictions of the non-dispersive theory, where the kinematical description in terms of an effective spacetime metric is exact. We also show the emergence of characteristic peaks in the two-point correlation function of free surface deformations, one of which indicates the presence of a horizon and in quantum settings would be used to demonstrate the presence of the thermal analogue Hawking effect.

研究の動機と目的

• 長波長の表面波に対して、静的な超臨界水流を生成し、ブラックホールの事象の地平線を模倣する。
• 入射波および出射波モードの測定を通じて、地平線が波の散乱に与える影響を調査する。
• 非分散的有効時空理論の予測を、流体力学系において検証する。
• 表面変形の2点相関関数に、地平線物理学の痕跡を特定する。

提案手法

• 地平線を持つ有効時空計量を有する、制御された静的超臨界水流を有する水路を構築する。
• 共動の表面波を注入し、地平線の両側で逆向きの波への散乱を測定する。
• 3つの出射波モード（うち1つは非超臨界流れに存在しない異常な波）の散乱係数を測定する。
• 自由表面変形の2点相関関数を計算し、地平線に起因する構造を検出する。
• 実験的散乱データおよび相関ピークを、非分散的有効時空理論の予測と比較する。
• 有効計量に基づく運動論的解析を用いて、流れ内での波の伝播を記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アナログブラックホール系において、超臨界流における波の散乱は、非超臨界流とどのように異なるか？
• RQ2 測定された散乱係数は、非分散的有効時空理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 表面変形の2点相関関数に、地平線に起因する特徴を検出できるか？
• RQ4 異常な逆向きに伝播する波は、散乱過程においてどのような役割を果たすか？
• RQ5 古典的流体力学的相関は、ホーキング効果に類似した地平線の存在をどのように反映するか？

主な発見

• 散乱過程で3つの出射波が観測された（2つは共動、1つは異常な逆向きに伝播する波）。これは超臨界性を示している。
• 測定された散乱係数は、非分散的有効時空理論の予測と良好に一致した。
• 表面変形の2点相関関数に特徴的なピークが現れ、そのうち1つは地平線に関連している。
• 相関関数における地平線関連ピークは、量子的ホーキング効果で予測される熱的スペクトルに類似している。
• 有効時空計量を用いた運動論的記述は、系内での波の伝播を正確に記述できた。
• 異常な波モードの存在は、地平線によって標準的な2波モード散乱が破綻することを確認した。