超放射

物理学において、超放射とは、量子力学、天体物理学、相対性理論など、さまざまな文脈における放射線増強効果のことです。

より適切な用語がないため、コヒーレンスによって強く放射するガスは「超放射」と呼ばれます。

— ロバート・H・ディッケ、1954年、^[1]

量子光学において、超放射は励起原子などのN 個のエミッターのグループが共通の光場と相互作用するときに発生する現象です。光の波長がエミッター間の距離よりもはるかに大きい場合、 ^[2]エミッターは集団的かつコヒーレントな方法で光と相互作用します。^[3]これにより、グループは高強度パルスとして光を放出します (速度はN ²に比例します)。これは驚くべき結果であり、独立した原子のグループの予想される指数関数的減衰 (速度はNに比例します) とは大幅に異なります (自然放出を参照)。超放射はそれ以来、量子ドットアレイ^[4]やJ 凝集体^[5]など、さまざまな物理システムと化学システムで実証されています。この効果は超放射レーザーの生成に使用されています。

回転超放射^{[6] は}、近くの物体の加速または運動（効果のエネルギーと運動量を供給する）に関連しています。また、物体の周りの「有効な」場の差の結果として説明されることもあります（例：潮汐力の効果）。これにより、角運動量または直線運動量が集中している物体は、これが起こる明らかな古典的なメカニズムがない場合でも、より低いエネルギー状態に向かって移動できます。この意味で、この効果は量子トンネル効果（これが起こる明らかな古典的なメカニズムがないにもかかわらず、波と粒子がエネルギーポテンシャルの存在を利用する「方法を見つける」傾向）といくつかの類似点があります。

• 古典物理学では、粒子媒体内の物体の運動や回転により、通常、運動量とエネルギーが周囲の粒子に伝達されると予想され、物体から運動量が除去されることを示す軌道をたどる粒子が発見される統計的確率が高くなります。
• 量子力学では、この原理は真空中で物体が移動、加速、または回転する場合にまで拡張されます。量子の場合、適切なベクトルを持つ量子ゆらぎは、近くの物体の運動によって引き伸ばされ、歪められ、エネルギーと運動量が与えられ、この選択的な増幅によって物体の周囲に実際の物理的放射が生成されます。

真空中で回転する孤立した無重力球の古典的な説明では、摩擦効果や滑らかな空の環境との明らかな結合がないため、球は無限に回転し続けるとされる傾向がありますが、量子力学では周囲の真空領域が完全に滑らかではなく、球のフィールドが量子変動と結合して加速し、実際の放射を生成する可能性があります。物体の周囲に適切な経路を持つ仮想の波面は、結合プロセスによって刺激され、実際の物理的な波面に増幅されます。説明では、これらの変動がフィールドを「くすぐって」効果を生み出すと言われることがあります。

ブラックホールの理論的研究では、この効果は、強い重力を持つ物体の周りの重力潮汐力が、本来はすぐに消滅してしまう仮想粒子のペアを引き離し、地平線の外側の領域に実粒子の集団を生み出す結果として説明されることもあります。

ブラックホール爆弾は、巨大なボソン場と回転するブラックホールと の相互作用において指数関数的に増大する不安定性です。

天体物理学では、超放射の可能性のある例としてゼルドビッチ放射がある。^[7]この効果を1971年に初めて記述したのはヤコフ・ゼルドビッチであり、 ^[8] モスクワ大学のイゴール・ノビコフがこの理論をさらに発展させた。ゼルドビッチは、量子電磁力学（QED）の下で、回転する金属球の赤道付近の領域が接線方向に電磁放射を放射すると予想されるケースを取り上げ、 カーブラックホールなどの回転する重力質量の場合も同様の結合効果を生み出し、同様に放射するはずだと示唆した。

これに続いて、スティーブン・ホーキングらは、ブラックホールの近くで加速している観測者（例えば、ロープの端で地平線に向かって慎重に降ろされた観測者）は「実際の」放射線が存在する領域を見るはずであるが、遠くの観測者にとってはこの放射線は「仮想」であると言うだろうと論じた。事象の地平線の近くで加速している観測者が近くの粒子を捕獲し、捕獲して研究するためにそれを遠くの観測者に向けて投げ出すと、遠くの観測者にとって粒子の出現は、粒子の物理的加速によってそれが仮想粒子から「実際の」粒子に変わったと言うことで説明できる^[9]（ホーキング放射を参照）。

同様の議論は加速フレーム（ウンルー放射）の観測者の場合にも当てはまる。チェレンコフ放射は、粒子媒体中をその媒体の公称光速度よりも速い速度で移動する荷電粒子によって放出される電磁放射であり、「慣性運動超放射」とも呼ばれる。^[6]

天体物理学的環境における超放射のさらなる例としては、メーザーが存在する領域 における放射フレア^{[10] [11]}や高速電波バースト^[12]の研究が挙げられる。これらの設定における超放射の証拠は、非常に多数の分子が関与し、宇宙全体に遍在し、長距離（例えば、星間物質内の数キロメートル^[13]から、おそらく数十億キロメートル以上に及ぶ^[12]） にわたる、量子力学的エンタングルメント状態からの強力な放射の存在を示唆している。

超放射を利用した機器。

• 自由電子レーザー（FEL）
• 遠赤外線（FIR）レーザー^[14]
• アンジュレータは超放射放射を得ることを可能にする。^[15]

• 量子光学
• 自然放出
• 超放射相転移
• ディッケモデル
• ホーキング放射
• ウンルー効果
• チェレンコフ放射
• ブラックホール爆弾
• 半導体光学における超放射
• ディッケ州