落下する原子で重力の量子位相差を直接測定　等価原理の予測と一致

地球の重力のもとで落下する原子は、量子力学でいう「位相」をどのように変えるのか。ロン・フォルマン率いる研究チームは、超低温のルビジウム原子を使ってこの位相差を直接測定した。Quantum Galileo Interferometerで二つのコヒーレントな原子波経路を比較したところ、観測値は、検証された条件の範囲でアインシュタインの等価原理から導かれる予測と実験精度内で一致した。24

何を測ったのか

量子粒子は波としても振る舞い、時間とともに波の位相を蓄積する。位相そのものを単独で観測することは通常できない。しかし、同じ起源を持つ二つの波を再び重ねると、両者の相対的な位相が干渉パターンとして現れる。

今回の実験では、原子チップ近傍でマイクロ波パルスを用い、原子を二つの履歴の重ね合わせ状態にした。一方の枝は、重力を打ち消す磁場によって実験室座標系でほぼ静止した状態に保つ。もう一方は上方へ打ち出されたのち、重力のもとで上昇・落下する弾道軌道をたどる。最後に二つの枝を再結合し、両経路に由来する重力的な位相差を干渉信号として測定した。24

核心となる結果は、観測された位相差が、等価原理に基づく予測と実験精度内で整合したことだ。等価原理とは、局所的には自由落下と重力を結び付ける、アインシュタインの重力理論の基本原理である。24

なぜ重要なのか

これは単に原子の古典的な落下軌道を確かめた実験ではない。二つの異なる経路を同時に進む、コヒーレントな量子物質波を干渉計で扱い、その量子進化を調べた点に意味がある。

したがってこの結果が示すのは、地球の弱い重力場に置かれた超低温ルビジウム原子という実験条件では、量子物質波の測定結果が等価原理の予測と整合する、ということだ。24

量子力学は原子の重ね合わせと干渉を記述し、重力は二経路の位相差を与える。この実験は、しばしば緊張関係にあるものとして語られる二つの枠組みを、実験的につなぐデータを与えた。

この実験が示していないこと

この成果を、量子力学と一般相対性理論の統一と読むべきではない。重力が量子化されていること、重力子の存在、あるいは重力が根本的に量子的なのか古典的なのかを決定的に示したわけでもない。23

重力の量子的性質をより直接的に試す方法の一つは、十分に隔離された質量を持つ物体どうしに、重力だけで量子もつれを生み出せるかを調べることだ。提案されている実験では、マイクロメートル規模の結晶を空間的な重ね合わせに置き、たとえばスピン系を埋め込んだナノダイヤモンドを用いて、その相互重力がもつれを生成するかを検証する。34

ペンローズの「収縮仮説」はどこに位置付くか

ロジャー・ペンローズは別の可能性を提案している。十分に大きな質量を持つ物体が空間的に重ね合わされると、それぞれの枝は異なる時空の幾何に対応し、その状態は無期限にはコヒーレントに保てない、という考え方だ。関連するディオーシ＝ペンローズ模型では、重ね合わされた質量分布の間にある重力自己エネルギー差が、予想されるコヒーレンスの減衰時間に関係する。36

これは標準的な量子力学に限界がありうるという仮説であって、今回のルビジウム実験から導かれた結論ではない。単一原子は、この種の模型を最も検証しやすいと期待される、大きな質量と空間的分離を備えた系ではない。

次の焦点は、より重い量子系

収縮模型の検証では、個々の原子よりはるかに重い物体の空間的重ね合わせを作り、通常の環境ノイズでは説明できないコヒーレンスの喪失が起きるかを探す。収縮模型の実験的検討では、標準量子論なら許す重ね合わせを模型が禁じる可能性があるため、質量の大きな物体での空間的重ね合わせが最も直接的な検証戦略とされる。33

浮遊させたナノダイヤモンドなどのメゾスコピック粒子を使う将来の干渉計では、周囲との相互作用による通常のデコヒーレンスを厳密に抑えながら、コヒーレンスを維持しなければならない。ある模型が予測する減衰時間を超えて干渉が保たれれば、その模型への制約になる。反対に、質量、分離距離、時間への依存性が予測と合う再現性のある過剰なコヒーレンス喪失が見つかれば、検討に値する証拠となる。ただし、その場合でも実験ノイズや重力以外の原因を除外する必要がある。333436

現時点でQuantum Galileo Interferometerの結果を最も正確に要約するなら、こうなる。今回試した条件では、自由落下する量子物質波は、アインシュタインの等価原理が予測する重力由来の位相を蓄積した。24