現代物理学は、極小の世界を扱う量子力学と、宇宙の大規模構造や重力を説明するアインシュタインの一般相対性理論という、2つの成功した枠組みの上に成り立っている。しかし、これら2つの理論を統合する完全な理論は依然として不在のままだ。今回の実験は、まさにこの2つの記述が重なり合う領域を探索したものである。
量子ガリレオ干渉計による等価原理の検証
研究の核心にあるのは、アインシュタインが人生で最も幸せな考えと呼んだ等価原理である。この原理は、局所的に見れば加速度と重力を区別できないことを意味しており、例えば自由落下している観測者にとって重力は事実上消失し、無重量状態になるとされる。この原理は通常の物質では極めて高い精度で確認されてきたが、量子オブジェクトでの直接的な検証は困難だった。量子オブジェクトは波のように振る舞い、同時に複数の経路を辿ることができるためだ。
この課題を解決するため、チームは「量子ガリレオ干渉計（Quantum Galileo Interferometer）」と呼ばれる装置を構築した。この装置により、研究者は原子に関連する量子波を2つの別々の経路に分割することが可能になった。一方の経路はそのままに保持し、もう一方を自由落下させる。その後、この2つを再び結合させることで、重力が落下する波にどのような影響を与えたかを測定した。
実験は、ベン・グリオン大学（Ben-Gurion University of the Negev）にて、絶対零度をわずかに上回る温度まで冷却されたルビジウム原子の雲を用いて行われた。原子は、特別に設計されたアトムチップの表面付近で操作された。博士課程の学生であるOr Dobkowskiを含む実験チームは、マイクロ波パルスを使用して超低温原子を量子重ね合わせ状態に置いた。これにより、各原子が同時に2つの経路を辿ることが可能となった。チップに組み込まれた微細な電気配線がこのプロセスを制御した。
量子世界における重力効果の直接観測
今回の研究は、ノーベル物理学賞受賞者のロジャー・ペンローズ教授（Professor Sir Roger Penrose）を含む国際チームによって行われ、ベン・グリオン大学、ウルム大学（University of Ulm）、オックスフォード大学（University of Oxford）が主導した。研究結果は9月2日付の『Science Advances』誌に掲載された。
研究チームは、原子が重力の影響下で移動する際に生じる量子特性の特定の変化を測定した。量子オブジェクトは波として振る舞い、それぞれの波は「位相（phase）」と呼ばれる量（山と谷の位置）を持っている。位相を直接見ることはできないが、同じ粒子の2つのバージョンを再結合させると、位相の不一致が干渉パターンとして現れる。波が互いに強め合う場所と打ち消し合う場所が生じ、それによって粒子がどこに現れるかの確率が変化する。
理論上、自由落下の波は静止している同一の波に対して位相を蓄積し、この位相は落下時間の3乗に比例して増大するとされている。つまり、落下時間を2倍にすると、効果は8倍になる。この予測は1927年にチャールズ・ガルトン・ダーウィン（Charles Galton Darwin）とアール・ケナード（Earle Kennard）によって記録されていたが、これまで測定されたことはなかった。
今回の測定により、地球の重力を通じて落下する物体が獲得する微小な量子シフトが初めて計測された。この結果は、アインシュタインの等価原理を量子オブジェクトに拡張した際の予測と一致しており、一般相対性理論の核心にある考え方が量子世界においても保持されることが示された。
物理学における意義と展望
オックスフォード大学のVlatko Vedral氏は、Live Scienceへのメールの中で、「この原理は、加速度と重力が局所的に区別できないことを述べている」と説明している。
Ron Folman氏は声明の中で、「これは、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論文であり、物理学における最も根本的な問いの一つである『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理論を、いかにして宇宙の一つの理解へと統合できるか』に取り組むものである」と述べた。さらに、「現代物理学のこれら2つの柱は、これまで統一的な理論的枠組みへのあらゆる試みを逃れてきたが、この複雑な実験は、そのような統合がどのように達成され得るかについてのさらなるヒントを与える」と付け加えた。
一般相対性理論は惑星、恒星、ブラックホールなどのスケールを記述し、銀河や銀河団がどのように形成されたかさえも実証する一方で、量子力学は原子よりも小さいスケールで見られる反直感的な物理学を記述する。これら2つの理論は互いにうまく適合せず、量子重力理論はまだ存在しない。しかし、今回の観測は、量子領域においてアインシュタインの重力定式化が機能していることを示す最初の兆候となり、万物の理論への道における重要な一歩となる可能性がある。