悪名高い双子のパラドックスは、宇宙飛行士のアリスを猛スピードの宇宙旅行に送り出します。彼女が双子のボブと再会するために戻ったとき、彼女は彼が彼女よりもはるかに早く老化していることに気づきました.これはよく知られていますが、複雑な結果です:速く動いていると時間が遅くなります。
重力も同じことをします。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、地球、または任意の巨大な物体は、時間を遅くする方法で時空をゆがめます。アリスが海抜0メートルで生活し、ボブが地球の引力がわずかに弱いエベレストの頂上に住んでいたとしたら、彼は再びより速く老化するでしょう.地球上の違いはわずかですが現実のものです — 山頂と谷底に原子時計を設置し、2 つの違いを測定することで測定されています.
物理学者は現在、この違いをミリメートル単位で測定することに成功しています。今月初めに科学プレプリント サーバー arxiv.org に投稿された論文で、コロラド州ボールダーにある JILA の物理学者である Jun Ye の研究室の研究者が、1 ミリの最上部と最下部の間の時間の流れの差を測定しました。 -背の高い原子雲。
この研究は、相容れないことで知られる 2 つの理論である一般相対性理論と量子力学が交差する物理学を研究するための第 1 歩です。新しい時計は、基本的に量子システム (原子時計) を採用し、それを重力と絡み合わせます。
実験では、Ye のチームは光格子時計を使用しました。これは、レーザーでくすぐることができる 100,000 個のストロンチウム原子の雲です。レーザーの周波数が適切であれば、各原子を周回する電子はより高く、よりエネルギーの高い軌道に励起されます。ごくわずかな範囲のレーザー周波数のみが電子の移動を促すため、この周波数を測定することで、非常に正確な時間を測定できます。振り子の揺れではなく、レーザー光の振動によって時を刻む、量子おじいさん時計のようなものです。
研究者は時計を 2 つに分割しました。カメラで雲を見て、上半分と下半分の周りに 2 つの想像上のボックスを描きました。次に、上半分と下半分の刻み頻度を比較したところ、雲の上部にある原子が経験した時間は、下部にある原子が経験した時間よりも 0.00000000000000001% 短いことがわかりました。
彼らがシフトを測定した特定の方法、つまり同じ雲の 2 つの部分を比較することで、両方の部分に共通する多くのノイズを相殺することができました。荒れた海でヨットを測定するようなものです。予期せず上下に揺れても、キールとマストの間の距離は常に一定に保たれます。原子の雲でできた時計は、電場、磁場、レーザー光自体、環境からの熱など、さまざまな要因によってドリフトする可能性がありますが、雲の上部と下部の周波数の差は同じままです。その差を測定すると、重力の影響が明らかになりました。 「それは簡単なことではありません」と、国立標準技術研究所の原子時計の専門家である Andrew Ludlow 氏は述べていますが、彼はこの研究には関与していません。
プレプリントによると、このデモンストレーションは、一般相対性理論と量子力学の結合を研究するための一歩です。 (論文が査読付きジャーナルに掲載されるまで、著者はインタビューを拒否しました。)
相対性理論は、オブジェクトが明確に定義されたプロパティを持ち、ある場所から別の場所に予測どおりに移動する時空を表します。対照的に、量子論では、オブジェクトは一度に多くのプロパティの「重ね合わせ」にある場合もあれば、突然特定の場所にジャンプする場合もあります。これら 2 つの説明は、それぞれの現実の領域とよく一致していますが、一緒にすると不自然です。
では、現象を説明するために量子力学と相対論の両方が必要な場合はどうなるでしょうか?
巨大なオブジェクトが同時に 2 つの可能な場所の重ね合わせに配置される場合を考えてみましょう。一般相対性理論によれば、質量のある物体は時空の構造を曲げるはずです。しかし、そのオブジェクトが重ね合わせにある場合はどうなるでしょうか?時空の幾何学も重ね合わせですか?
このような問題を研究するために、物理学者は重力と量子力学の両方が重要なシステムを常に探しています。カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の理論物理学者であるフラミニア・ジャコミニは、「時計は、これらのタイプの機能をテストするための最も有望なシステムの 1 つであることは間違いありません」と述べています。時計は当然、量子力学と相対論の間の境界線にまたがっています。それらは本質的に相対論的な概念である時間を伝えます。それらは基本的に量子でもあります。電子があるエネルギー準位から別のエネルギー準位に移動する方法は、両方の準位にあるという重ね合わせを通過することです。
Ye のチームが時計の感度を約 10 倍改善した場合 (現在の改善率で今から数年後)、原子の挙動における重力の影響を探し始めることができます。これの最初の特徴は、デコヒーレンスと呼ばれるプロセスに現れます。
デコヒーレンスは、量子力学の奇妙な世界から日常経験の普通の世界への移行を担っています。環境が量子システムと相互作用するたびに、それはシステムで行われた小さな測定と見なすことができます。これは、環境が量子システムについて何かを学び、その「量子性」を破壊する方法です。物理学者は、量子実験を妨害するような環境のあらゆるものから保護することに非常に長けています。しかし、重力から身を守ることはできません。
Ye の時計の原子が雲の中を上下に移動し、時間の流れの変化を経験すると、重力が相互に作用する方法を変更し、それらのダイナミクスに目に見える変化を引き起こします。重力がグラビトンと呼ばれる基本粒子に量子化される量子重力そのものではありません。しかし、量子力学と重力が織り成す新しい現象の貴重な例となるでしょう。
「量子効果と重力効果の両方が役割を果たすときに重力がどのような種類の振る舞いをするかを知るのに役立つものは何でも、将来の研究に非常に役立つと思います」とジャコミニは言いました.
