教科書の物理実験のように、バネにボールを取り付けて開始します。光子がボールに当たると、その衝撃によって非常に穏やかに振動します。しかし、落とし穴があります。ボールに到達する前に、光子はハーフ シルバー ミラーに遭遇します。このミラーは、ボールに当たる光の半分を反射し、残りの半分を通過させます。
次に起こることは、非常によくテストされているが相反する 2 つの理論のどちらが正しいかによって異なります。量子力学またはアインシュタインの一般相対性理論です。これらはそれぞれ、宇宙の小規模および大規模な特性を表しています。
「重ね合わせ」と呼ばれる奇妙な量子力学的効果では、光子はミラーを通過すると同時に後方に反射します。次に、ボールを打つことと打たないことの両方を行います。量子力学が巨視的レベルで機能する場合、ボールは振動を開始して静止し、2 つの状態の重ね合わせに入ります。ボールには質量があるため、その重力場も重ね合わせに分割されます。
しかし、一般相対性理論によれば、重力はボールの周りの空間と時間をゆがめます。この理論では、重ね合わせが不安定になり、ボールがいずれかの状態を取らざるを得なくなる可能性がある、2 つの異なる方法での空間と時間のゆがみを許容できません。
ボールに何が起こるかを知ることは、物理学者が量子力学と一般相対論の間の対立を解決するのに役立つ可能性があります。しかし、そのような実験は長い間実行不可能であると考えられてきました。量子重ね合わせに入れることができるのは光子サイズの実体だけであり、球サイズの物体だけが検出可能な重力場を持っています。量子力学と一般相対性理論は異なるドメインで支配的であり、非常に高密度の量子サイズのブラック ホールにのみ収束するようです。実験室では、物理学者のフリーマン ダイソンが 2004 年に書いたように、「彼らの予測の違いは物理的に検出できません。」
過去 2 年間で、その広く信じられていた見方が変わり始めました。新しい精密機器と目に見えない効果を間接的に調査するための巧妙なアプローチの助けを借りて、実験者は現在、光子とボールを使用したテストのようなテストで、量子力学と一般相対性理論との間のインターフェースを調査するための措置を講じています。新しい実験の可能性は、量子重力理論の 80 年にわたる探求に活力を与えています。
ブリティッシュ コロンビア大学の理論物理学者であるフィリップ スタンプは、「すべての物理学における最大の単一の問題は、重力と量子力学をどのように調和させるかということです。 「突然、ターゲットがいることが明らかになりました。」
理論家たちは、実験がどのように展開されるか、量子力学と一般相対性理論を融合させたより完全な理論にとって、それぞれの結果が何を意味するかを考えています。 「どちらも失敗したことはありません」とスタンプは言いました。 「それらは互換性がありません。実験でその矛盾を解決できれば、それは大したことです。」
量子の性質
量子スケールでは、ボールがありがちな「ここ」または「そこ」にあるのではなく、素粒子はそれぞれの場所に一定の確率で存在します。これらの確率は、しばしば宇宙に広がる波のピークのようなものです。たとえば、光子が画面上の 2 つの隣接するスリットに遭遇した場合、50 ～ 50 の確率でいずれかを通過します。その 2 つのパスに関連付けられた確率のピークが画面の向こう側で交わり、明暗の干渉縞が作成されます。これらのフリンジは、光子が両方の軌跡の重ね合わせに存在したことを証明しています。
しかし、量子重ね合わせはデリケートです。重なり合った粒子が環境と相互作用する瞬間、「ここ」または「そこ」の明確な状態に崩壊するように見えます。現代の理論と実験は、環境デコヒーレンスと呼ばれるこの効果が発生するのは、粒子が遭遇したものは何でも重ね合わせが漏れ出して包み込むためであることを示唆しています。漏洩すると、重ね合わせは急速に拡大し、それを研究しようとしている物理学者や、それを利用して量子コンピューターを構築しようとしているエンジニアが含まれます。内部からは、多くの重畳された現実のバージョンのうちの 1 つだけが知覚できます。
単一の光子は、重ね合わせを維持するのが簡単です。しかし、バネ上のボールのような巨大な物体は、「環境の乱れに対して指数関数的に敏感になる」と、オーストラリアのクイーンズランド大学の人工量子システム センターのディレクターであるジェラルド ミルバーンは説明しました。 「環境からのランダムなキックによって粒子が乱れる可能性は非常に高いです。」
環境デコヒーレンスのため、卓上実験で大質量物体の量子重ね合わせを調べるというアイデアは、何十年もの間、水の中で死んでいるように見えました。 「問題は、重力以外の障害が発生しないように隔離することです」とミルバーンは言いました。しかし、見通しは劇的に改善しました。
実験物理学者で、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とオランダのライデン大学で時間を割いている Dirk Bouwmeester は、光子とボールの実験によく似たセットアップを開発しましたが、スプリングのボールを物体に置き換えました。これはオプトメカニカル オシレータと呼ばれるもので、本質的には踏み台上の小さな鏡です。目標は、振動子を 2 つの振動モードの量子重ね合わせに置き、重力が重ね合わせを不安定にするかどうかを確認することです。
10 年前、Bouwmeester の実験に必要な種類の最高のオプトメカニカル オシレータは、止まることなく 100,000 回往復できました。しかし、それは重力の影響が現れるには十分な時間ではありませんでした。現在、改良されたオシレータは 100 万回振動することができます。これは、重力によって引き起こされるデコヒーレンスを確認する、または排除するために必要な値に近いとバウミースターは計算しています。 「3年から5年以内に、この鏡の量子重ね合わせを証明するでしょう」と彼は言いました。その後、彼と彼のチームは、単一光子の影響に敏感になるまで、発振器の環境擾乱を軽減する必要があります。 「うまくいくだろう」と彼は主張します。
ウィーン大学の物理学教授である Markus Aspelmeyer も同様に楽観的です。彼のグループは、量子重力インターフェースで 3 つの別々の実験を開発しています。2 つは実験室用、もう 1 つは軌道衛星用です。宇宙ベースの実験では、ナノスフィアが最低エネルギーの運動状態に冷却され、レーザー パルスがナノスフィアを 2 つの場所の量子重ね合わせに置き、二重スリット実験によく似た状況を設定します。ナノスフィアは、検出器に向かって移動するときに、2 つの干渉ピークを持つ波のように動作します。各ナノスフィアは 1 か所でしか検出できませんが、実験を複数回繰り返すと、ナノスフィアの位置の分布に干渉縞が現れます。重力が重ね合わせを破壊する場合、重すぎるナノスフィアのフリンジは表示されません。
このグループは、地球の表面で同様の実験を計画していますが、それは待たなければなりません。現時点では、ナノスフィアは十分に冷却できず、地球の重力下では急速に落下するため、テストは機能しません。しかし、「人工衛星の光学プラットフォームは、私たちの実験に必要な要件を実際にすでに満たしていることがわかりました」と、ドイツの欧州航空防衛宇宙会社と協力しているアスペルマイヤー氏は述べています。彼のチームは最近、実験に必要な重要な技術的ステップを示しました。軌道に乗って計画通りに進めば、ナノスフィアの質量とデコヒーレンスの関係が明らかになり、重力と量子力学が対立することになります。
研究者たちは、昨年の春、Nature Physics で別の地上実験を発表しました。提案されている量子重力理論の多くは、ハイゼンベルグの不確定性原理の修正を含んでいます。これは、物体の位置と運動量を同時に正確に測定することは不可能であるという量子力学の基礎です。ハイゼンベルグの式からの逸脱は、重力の影響を受けるため、オプトメカニカル オシレータの位置運動量の不確実性に現れるはずです。不確実性自体は計り知れないほど小さい — ぼやけは陽子の幅のわずか 1 億分の 1 である — しかし、Aspelmeyer のグループの理論家である Igor Pikovski は、それを検出するためのバックドア ルートを発見した。光パルスが発振器に当たると、ピコフスキーは、その位相 (ピークと谷の位置) が不確実性に応じて識別可能なシフトを受けると主張しています。従来の量子力学の予測からの逸脱は、量子重力の実験的証拠となる可能性があります。
Aspelmeyer のグループは、最初の実験的ステップを実現し始めました。ピコフスキーのアイデアは、「かなりのパフォーマンスの改善を認めざるを得ません」とアスペルマイヤー氏は述べています。 「実際、私たちは皆少し驚いています。」
対決
多くの物理学者は、量子論が普及すると予想しています。彼らは、バネ上のボールは、光子ができるように、原則として一度に 2 つの場所に存在できるはずだと考えています。ボールの重力場は、光子の電磁場と同じように、量子重ね合わせでそれ自体に干渉できるはずです。 「光の場合には正しいことが証明されたこれらの量子論の概念が、重力の場合には失敗する理由がわかりません」と Aspelmeyer 氏は述べています。
しかし、一般相対性理論と量子力学自体の非互換性は、重力が異なる振る舞いをする可能性があることを示唆しています。説得力のあるアイデアの 1 つは、重力が重ね合わせを崩壊させる一種の避けられないバックグラウンド ノイズとして機能する可能性があるというものです。
「空気分子と電磁放射を取り除くことはできますが、重力を排除することはできません」と、ダートマス大学の物理学教授であるマイルズ ブレンコウは述べています。 「私の見解では、重力は基本的で避けられない最後の手段のようなものです。」
バックグラウンド ノイズのアイデアは、1980 年代と 1990 年代にハンガリーのウィグナー物理学研究センターのラホス ディオシと、オックスフォード大学のロジャー ペンローズによって考案されました。ペンローズのモデルによると、重ね合わせ中に空間と時間の曲率の不一致が蓄積され、最終的にはそれが破壊される可能性があります。関与する物体の質量またはエネルギーが大きいほど、したがってその重力場が大きいほど、「重力デコヒーレンス」がより迅速に発生します。時空の不一致は、最終的に、不確実性原理と一致して、粒子の位置と運動量に削減不可能なレベルのノイズをもたらします。
「不確実性原理と量子物理学の不可解な特徴の究極の理由が空間と時間の量子効果によるものであるとすれば、それは素晴らしい結果になるでしょう」とミルバーンは言いました.
実験的テストの可能性に触発されて、ミルバーンと他の理論家は、ディオシとペンローズの基本的なアイデアを拡張しています. Physical Review Letters の 7 月の論文で、Blencowe は、重力を一種の周囲放射としてモデル化することにより、重力デコヒーレンスの速度の方程式を導出しました。彼の方程式には、可能な限り最小のブラック ホールの質量に等しいプランク エネルギーと呼ばれる量が含まれています。 「プランクエネルギーを見るとき、私たちは量子重力を考えます」と彼は言いました。 「したがって、この計算は、この未発見の量子重力理論の要素に触れている可能性があります。それがあれば、重力が他の形式のデコヒーレンスとは根本的に異なることが示されるでしょう。」
スタンプは、量子重力の「相関経路理論」と彼が呼ぶものを開発しており、重力デコヒーレンスの数学的メカニズムの可能性を特定しています。従来の量子力学では、将来の結果の確率は、粒子が取ることができるさまざまな経路 (画面上の両方のスリットを通過する同時軌道など) を個別に合計することによって計算されます。スタンプは、計算に重力が含まれている場合、パスが接続されることを発見しました。 「重力は基本的に、異なる経路間の通信を可能にする相互作用です」と彼は言いました。パス間の相関関係は、再びデコヒーレンスをもたらします。 「調整可能なパラメーターはありません」と彼は言いました。 「小刻みに動く余地はありません。これらの予測は完全に明確です。」
会議やワークショップでは、理論家と実験家が密接に協力して、さまざまな提案とそれらをテストするための計画を調整しています。彼らは、それが相互に刺激的な状況であると言います.
「量子力学と重力の間の最後の対決で、空間と時間に対する私たちの理解は完全に変わるでしょう」とミルバーンは言いました。 「これらの実験が道を拓くことを願っています。」
