超低温ルビジウム原子で、重力が生む量子位相差を直接測定

重力は、物体を落下させるだけではありません。量子力学では、同じ原子がたどる二つの経路の間に位相差、つまり干渉模様の位置を変える差を生みます。国際研究チームが直接測定したのは、超低温ルビジウム原子の二つのコヒーレントな経路に重力が与える、この量子位相差です。

一方の原子波束は磁場によって重力に抗してほぼ静止状態に保たれ、もう一方は上向きに打ち出された後、放物線を描いて自由落下しました。二つの経路を最後に重ね合わせると、相対位相が干渉信号として読み出されます。観測されたずれは、実験精度の範囲で、これらの経路に対してアインシュタインの等価原理が予測する位相と一致しました。24

実験で何をしたのか

原子チップ近傍でマイクロ波パルスを使い、原子を内部状態と運動経路が対応する二つの履歴の重ね合わせへと置きました。

• 保持される枝：磁場により、重力に抗してほぼ一定の位置にとどまる。
• 自由落下する枝：上方へ加速された後、重力に従って落下する弾道軌道をたどる。
• 再結合：二つの枝を重ね、蓄積された相対位相を干渉として測定する。

古典的に「物体がどう落ちるか」を追うだけではなく、同じ原子の二つの量子的な経路が蓄積する位相を比べた点に、この実験の特徴があります。24

確かめられたこと、まだ確かめられていないこと

今回確かめられたのは、原子という微視的な系と地球の弱い重力場という条件で、通常の量子力学的時間発展と等価原理に基づく予測が、観測結果と整合することです。重力による自由落下の位相を、量子干渉によって直接検証した実験と位置づけられます。24

ただし、これは量子力学と一般相対性理論を統合したことを意味しません。また、重力そのものが量子化されていること、重力子の存在、あるいは重力が本質的に量子的か古典的かを決着させたわけでもありません。

重力の量子的性質を調べるには、たとえば十分に隔離された二つの質量の間で、重力が量子もつれを作り出せることを示す、といった証拠が必要になります。23

ペンローズの仮説とはどうつながるか

ノーベル賞物理学者ロジャー・ペンローズは、重力に関係した客観的な波動関数の収縮という考えを提案してきました。この仮説では、質量をもつ物体が異なる位置の重ね合わせになると、それぞれの枝が異なる時空の曲がり方に対応するため、状態が不安定になり、コヒーレンスが失われると考えます。減衰までの時間は、二つの質量分布の重力的自己エネルギー差に関係するとされます。9

しかし、ルビジウム原子1個は、このような質量依存の効果を強く試すには軽すぎます。より厳しい検証には、浮揚させたナノダイヤモンドなどを含む、より重いメゾスコピック粒子で、大きく長寿命な空間的重ね合わせを作る必要があります。19

その際には、周囲との衝突、熱、電磁的な雑音といった通常の環境デコヒーレンスを徹底して除外しなければなりません。ペンローズ型モデルが予測する減衰を超えてコヒーレンスが保たれればモデルへの制約となり、質量・分離距離・時間に応じた再現性のある余分な減衰が見つかれば仮説を支持する材料になります。それでも、別の雑音源では説明できないことを示す検証は不可欠です。19

今回の成果は、量子重力の最終回答ではありません。むしろ、重力と量子の接点を、原子の干渉という精密な物差しで一段深く測れるようにした、重要な実験的前進です。