アンソニー・レゲットはどのようにして量子物理学の限界を押し広げたのか

大学院の 1 年目に、私は物静かな年上の大学院生と短期間オフィスをシェアしました。ようやく雑談ができたとき、私は彼が「トニーと一緒にメガネの理論に取り組んでいる」ことを知りました。 2 つのことが明らかになりました。メガネの物理学を解明するのは難しいこと、そして私はトニーが誰であるかを本当に知っておくべきだったということです。私はすぐに彼に会いました。礼儀正しい70代のイギリス人男性である彼は、生涯の教師のような律動と、紛れもない輝きを持った目を輝かせて話した。彼のフルネームはアンソニー・ジェームズ・レゲット。ノーベル賞受賞者、大英帝国の騎士、数え切れないほどの賞の受賞者、極寒の量子世界の住人に関する専門家、そして彼が数十年にわたって追求してきた問題、世界がどこで終わるのかを探るための影響力のあるテストを共同開発した理論家である。彼は 3 月 8 日に亡くなり、家族だけでなく、数え切れないほどのインスピレーションを受けた研究者たちによって生き延びましたが、彼はその特徴的な謙虚な態度で、ただのトニーでもありました。

レゲットは 1938 年に南ロンドンで生まれ、父親が物理学と化学を教えていたイエズス会の学校に通い、その後オックスフォード大学で古典文学、哲学、古代史の学位を取得しました。しかし、物理学のサイレンの叫びは、古文書や死語よりも大きかった。彼はさらに物理学の学位を取得し、博士課程の研修のためにイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 (UIUC) に移りました。

当時、UIUC には新しいタイプの量子物質や材料を研究する物理学者が多く、その多くは極度に冷たくしたときにのみそのエキゾチックな特性が明らかになりました。過去の仕事から、トニーはすでに極寒の物理学に精通していましたが、UIUC での滞在をきっかけに、ヘリウム 3 と呼ばれる珍しい形のヘリウムの問題に注意を向けることになりました。ノーベル賞受賞講演の中で、物理学者のジョン・バーディーンとレオ・カダノフが彼のオフィスに来て、地下室で極低温ヘリウム実験が行われていると話してくれたときのことを語った。レジェット氏は、その実験の側面を数式で捉えようと試みましたが、脇道にそれてしまいました。彼は計算を放棄したが、極低温ヘリウム 3 とのオン・オフを繰り返す関係が今後 10 年間続くことになる。

セレンディピティが介入して、彼をこの奇妙な問題の研究に引き戻そうとした。 1972 年のある日、彼は休暇中だったが、ハイキングに行く予定が雨天で中止になった。そこで、代わりに実験家の友人であるロバート・リチャードソンに会いました。レジェット氏によると、その日聞いたことが彼の研究キャリアを永遠に変え、ノーベル賞受賞につながったという。リチャードソン氏は、彼のチームが NMR と呼ばれるイメージング法を使用した超低温ヘリウム 3 の研究の結果について説明しました。この研究結果はレジェット氏を非常に困惑させたので、リチャードソン氏が去るとすぐに、「一般に受け入れられている量子力学と統計力学の法則を考慮すると、実験で観察された変化は絶対に起こり得ないという正式な証明を構築するために座った」と述べました。言い換えれば、リチャードソンと彼の同僚は極低温のヘリウムを研究することで、量子物理学そのものの亀裂に遭遇したのではないかと彼は懸念したのである。

数年以内に、レジェット氏は、量子物理学は実際には問題ないが、超低温ヘリウム 3 はこれまでに研究されてきたどの超低温系とも実際には異なっていることを発見しました。この頃、極寒の領域ではすでに物理学者がループに挑戦していました。気体や固体物質を十分に冷やすと、時々非常に奇妙な動作をします。たとえば、十分に低い温度では、超伝導体の電子は通常のように互いに反発せず、対になって完全な効率で電気を運びます。他の場合には、極度の低温にさらされた数万または数十万の原子がすべて同じ量子状態を想定し、個別の個体としてではなく量子物質の 1 つの塊として効果的に動作する可能性があります。これが、超流体が形成される仕組みであり、超流体が粘度ゼロで、容器の壁を登るなどの予期せぬトリックを実行できる理由です。ヘリウム 3 も超強力なものだったのでしょうか?レジェット氏はそれを知りたかったので、厳密に調べた。

彼は超低温ヘリウム 3 の包括的な理論を開発しました。これは数学的な取り組みで、ヘリウム 3 が単一の超流体ではなく、その原子がいくつかの異なるタイプの超流体を形成する可能性があることを明らかにしました。これを説明する際に、彼は対称性の破れの新しい形も発見しました。これは新しい超低温理論の数学的特徴であり、これまで謎に包まれていた実験室での測定値を説明できる可能性があります。

リチャードソンはヘリウム 3 の実験で 1966 年にノーベル賞を受賞しており、レジェットのノーベル賞は理論で 2003 年に受賞しました。

「2003 年の早朝、ノーベル賞が発表された日の人々の高揚感を今でも覚えています」と、UIUC で私の大学院顧問を務めたスミサ・ヴィシュヴェシュワラは言う。トニーは 1983 年に UIUC に移り、2002 年に博士研究員として彼と一緒に働くようになりました。「彼はとても思いやりがあり、優しく、賢い指導者であり、友人であり、同僚であり、私たちの多くにとってインスピレーションを与えてくれました。」私は、UIUC の物性物理理論研究所 (現在は彼の名前が付けられています) の円卓の 1 つに座って、思索に耽っていながらも、忙しすぎて質問に答えることもできなかった彼の姿を思い浮かべることができます。

そしてトニーは、超流動ヘリウム 3 の謎だけでなく、非常に多くの疑問に興味を持っていました。その先輩大学院生が私に話してくれた眼鏡の研究がありましたが、トニーは特に、量子論は全世界には当てはまらないかもしれない、特に大きな物体には当てはまらないかもしれないという考えに囚われていました。量子物理学のすべての奇妙なこと、たとえば粒子が誰も見ていないときには可能な特性の単なる雲であるようなことは、小さな物体だけに限定されるのでしょうか?

レジェ氏は2003年のノーベル賞授賞式後のインタビューでこのことについて推測し、次のように述べた。 [quantum physics] 西暦 3000 年には、日常レベルでの物理世界に対する私たちの態度は、ある意味で今日とは根本的に異なるものになると思います。なぜなら、私たちはこの奇妙さに実際に直面しなければならなくなるからです。その時までに、それは日常レベルまで増幅されていると私は確信しています。私は、それは少なくとも同等の可能性、そしておそらくそれ以上に可能性が高いと思います…いずれかの時点で量子力学が崩壊し、現時点では何の概念も持っていない新しい理論が引き継がれることがわかります。」彼は、まさにこれが実現することが個人的な希望であると語った。

量子物理学の最先端を見つける

このとらえどころのない量子分解の線を探して、彼とアヌパム・ガーグは 1985 年に大きな物体の量子性を評価するために使用できる数学的テストを考案しました。さまざまな時点での物体の挙動を観察し、それらの観察結果を現在「レゲット・ガーグ不等式」と呼ばれる方程式に当てはめて、量子物理学の規則がまだその物体を支配しているかどうかを識別できます。近年、レゲット・ガーグ実験は、光の粒子から小さな結晶に至るまで、いくつかの系で実施されており、研究者たちは常に実験をさらに大きなスケールに押し上げています。

巨視的な世界と量子物理学の関係についてのレジェット氏の疑問も、ちょうど昨年ノーベル賞を受賞した実験の種となった。 「私は80年代初頭に彼がこのことについて話しているのを聞きました、そして他の人たちも同様でした。私たちは彼の提案を採用し、それを非常に優れた実験に変えました」と量子コンピューティング会社QoLabのジョン・マルティニスは語る。彼は量子効果が超伝導体と絶縁体の層で作られた回路と同じくらい大きな規模で現れ得ることを証明してノーベル賞を受賞した。 Leggett 氏は、このような回路が巨視的量子の存在をどのようにテストできるかについてすでに深く理解しており、これが Martinis 氏と彼のチームが研究室でそれらの回路を丹念に構築する大きな動機となった、と彼は言います。

「トニーは、他の人がグラフ上の小さな不具合として無視したものを見て、それがまったく新しいことを示していると認識できたと言っても過言ではないと思います」と、中国の復旦大学の元教え子デービッド・ワックスマンは書いている。 「トニーは自然が言おうとしていることに非常に敏感でした。」

レジェット自身の若い物理学者へのアドバイスも、同じアプローチを奨励しました。 「社会通念の中に理解できない点がある場合は、時間がかかる限りそのことに悩まず、これらの問題は十分に理解されているという仲間の物理学者の保証に思いとどまらないでください」と彼はかつてアドバイスしました。そして、たとえ新しいアイデアが生まれるまで何十年も引き出しの中に眠っていたとしても、「誠実に行われた研究は決して無駄にはならない」とも付け加えた。

私は 2020 年の春に UIUC を辞めましたが、その時でもオフィスでは 80 代になっても働くトニーの姿を垣間見ることができました。彼はあの有名な好奇心と配慮をもって自然に耳を傾けることを決してやめなかったと私は心から信じています。彼の机の引き出しの中でまだその瞬間を待っている研究が何であれ、見てみたかったと思います。