原子を「落ちる波」と「止まる波」に分割。量子世界でもアインシュタインは正しかった

一つの原子を、重力で落ちる量子の波と、空中に止まる波へ分ける。そんな不思議な実験で、アインシュタインの重力理論を支える「等価原理」が量子世界でも予測どおり働くことが確かめられました。

装置の名は「量子ガリレオ干渉計」。自由落下する量子波に重力が刻む、極めて小さな位相のずれを初めて直接測定したと研究チームは説明しています。

一つの原子を二つの経路へ

実験ではルビジウム原子を絶対零度近くまで冷却し、マイクロ波で量子重ね合わせ状態にしました。原子の波は二つの経路を同時に進みます。

片方には磁場で上向きの力を加え、重力を打ち消して実験室に対して静止させました。もう片方は上向きに押した後、磁場の影響を受けにくい状態へ切り替え、投げたボールのように自由落下させました。

最後に二つの波を重ねて干渉させると、落下中に蓄積した量子位相の差を読み取れます。測定値は、重力と加速度を局所的に区別できないという等価原理を量子波へ適用した予測と一致しました。

「重力も量子だった」と証明したわけではない

一般相対性理論と量子力学を一つにまとめる理論は、まだ完成していません。今回の結果は両者を統一したものでも、重力そのものが量子化されていると示したものでもありません。

確認できたのは、軽い原子と短い時間という今回の条件で、量子力学が等価原理と矛盾しなかったことです。研究チームは将来、ナノダイヤモンドなどより重い物体を長時間重ね合わせ、量子力学が破れる可能性まで試したいとしています。