量子力学と一般相対性理論の交差点
現代物理学の2大支柱である一般相対性理論と量子力学は、これまで長年にわたり統合が試みられてきたものの、両者を一つの枠組みで説明することは極めて困難とされてきた。一般相対性理論は宇宙の大規模な構造を記述し、量子力学は原子以下のミクロな世界の現象を解き明かすが、両者はこれまでうまく調和してこなかった。
Ben-Gurion University of the NegevのRon Folman氏はSpaceに対し、この論文は困難な実験と広範な理論的解釈を組み合わせたユニークなものであり、アインシュタインの相対性理論で記述される重力と量子論をどのようにして宇宙の単一の理解へと統合できるかという、物理学における最も根本的な問いの一つに取り組んでいると述べた。
アインシュタインの最も幸福な思考と等価原理
実験の基礎となっているのは、一般相対性理論における重要な要素である等価原理だ。等価原理によれば、自由落下する観測者にとって重力は消失するように感じられる。アルベルト・アインシュタインが自身の人生における最も幸福な思考と称した思考実験では、窓のないエレベーターの中の人物が、床から受ける圧力が地球上で静止しているためなのか、あるいは宇宙空間で加速されているためなのかを局所的に見分けることはできないとされている。
重力と加速度が局所的に区別できないというこの原則は、日常的な重い物体に対しては非常に高い精度で検証されてきた。しかし、波のように振る舞う量子的な対象においてこれが成り立つかどうかは未解決の課題であった。
量子ガリレオ干渉計による画期的な測定
量子スケールで等価原理を測定するため、研究チームは量子ガリレオ干渉計と呼ばれる特殊な装置を使用した。この装置により、移動する原子に関連する量子波を2つの経路に分割することが可能となった。一方はその場に静止させ、もう一方は自由に落下させるという手法が採られた。
実験では、絶対零度近くまで冷却されたおよそ2万個のルビジウム原子の雲が使用され、ゴールドの配線が施されたアトムチップの近傍に配置された。マイクロ波パルスを用いて原子を量子的な重ね合わせの状態にし、同じ原子が同時に2つの異なる経路を移動するようにした。
アトムチップが生成する磁場により、一方の経路の原子には重力に対抗する上向きの力が加えられて静止状態が保たれ、もう一方の経路の原子は自由に落下した。弧の頂点では、原子の2つの半部が約7.5マイクロメートルの距離まで離れ、その後再び結合されて干渉パターンが観測された。
1世紀を経て確認された理論的予測
チャールズ・ガルトン・ダーウィンとアール・ケナードによって1927年に予測された理論では、自由落下する波は静止している波に対して位相を蓄積し、その位相は落下時間の3乗に比例して増加するとされていた。今回の研究では、自由落下時間を約2.4ミリ秒まで引き延ばしながら干渉信号が追跡された。
5.3時間にわたる633回の実験において、原子の2つの半部の間に生じた位相の完全な周期である13回の振動が記録された。測定された位相の増加は落下時間の3乗に従っており、理論モデルと約2.5%の誤差内で一致したことが<a href="https://www.livescience.