科学者たちは、アルバート・アインシュタインが量子世界で重力が作用することを提唱した最初のヒントを観察した。
ヒントは落下する量子物体の観察に関係しており、大したことではないように思えるかもしれませんが(実際、ここでは原子について話しています)、…すべての理論への道の重要なステップになる可能性があります。
まず、20 世紀初頭に遡る必要があります。アインシュタインの有名な重力理論を考えてみましょう。 一般相対性理論そして到達不可能な世界 量子力学。かつての宇宙は惑星、恒星、そして ブラックホールさらに、銀河や銀河団がどのように形成されたのかも示しており、後者は原子よりも小さいスケールでの直感に反する物理学を説明しています。しかし問題があります。これら 2 つの重要な理論はうまく連携できません。
いいえ 重力の量子理論。しかし、科学者たちは、私たちが何かに近づいていると考えています。
研究者のグループは、量子力学と一般相対性理論が交差する点を見つける実験を実施しました。つまり、原子が重力の影響下にあるときに原子の量子特性がどのように変化するかということです。
「これは、厳密な実験と物理学における最も重要な疑問の 1 つについての包括的な理論的解釈を組み合わせたユニークな論文です。アインシュタインの相対性理論と量子論で説明されている重力は、どのようにして宇宙の 1 つの理解に統合できるのでしょうか?」チームリーダー、ネゲブ・ベングリオン大学のロン・フォルマン氏 声明で述べた。 「現代物理学のこれら 2 つの柱は、これまでのところ、統一された理論的枠組みを構築するあらゆる努力を逃れてきましたが、この複雑な実験は、そのような統一がどのように達成されるかについてさらなる手がかりを提供します。」
リフトと同等性
チームの実験に基づくと、重要な要素は一般相対性理論と呼ばれています 平等の原則。
等価原理では、自由落下中の観察者にとって重力は消滅しなければならないと述べています。これがわかりにくいと思われる場合は、次のよくある例えを考えてください。つまり、あなたは周囲が見えない密閉されたエレベーターの中にいます。気分が重くなります。ボールを投げるとエレベーターの床に落ちます。なぜこのようなことが起こるのでしょうか?そうですね、選択肢は 2 つあります。
あなたは 1 階に立っているかもしれません。あるいは、エレベーターが地球の重力と同じ速度 (秒速 9.8 メートル) で上昇しているかもしれません。重力と加速度の違いはわかりません。これが等価原理です。
さあ、揺さぶってみましょう。突然、重さを感じなくなります。ボールを投げると浮きます。重力がなくなるか、上向きの加速が終わります。エレベーター内では 2 つのことが起こっている可能性がありますが、その 2 つの違いはわかりません。エレベーターのケーブルが切れて自由落下状態になっている可能性もあれば、上向きの加速度によって宇宙空間に打ち上げられて停止する可能性もあります。
ここで大きな疑問は、これを量子スケールで、特に移動時に波のように振る舞う粒子についてどのようにテストするかということです。
こんにちは、量子重力ですか?
量子スケールで等価原理を測定するために、研究者らはガリレオ量子干渉計に注目しました。これにより、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できました。 1 つは所定の位置に保持され、もう 1 つは自由に落下させられました。
その後、チームは波を再結合して、重力が落下する波に及ぼす変化を観察しました。
実験対象として、研究チームは絶対零度より少し上まで冷却されたルビジウム原子の雲を選択した。これらは、特別な原子チップの表面近くに設計されました。科学者たちは、マイクロ波パルスを使用して、原子をいわゆる「原子炉」の中に配置しました。 量子重ね合わせ。
重ね合わせは、量子物理学に固有の奇妙な現象の 1 つで、量子システムが 2 つ以上の矛盾する状態で同時に存在することを効果的に可能にします。この場合、重ね合わせにより、各原子が同時に 2 つの異なる方法で移動できるようになりました。
原子チップによって生成された磁場は、一方向に上向きに押す力を及ぼし、重力の下向きの引力に抵抗して安定を保ちました。別の方法では、磁気パルスにさらされて原子が上方に押し上げられました。次にパルスがオフになり、原子は空中に投げられたボールのように重力の下で自由に落下します。
波が再結合するとき、研究チームは、2つの誤った波の山と谷が出会うときに発生する干渉と呼ばれる効果を利用して、自由落下する波の変化を測定した。
量子波の位相に対する重力と自由落下の影響が測定されたのはこれが初めてでした。
ただし、これは量子の世界でのアインシュタインの等価原理の効果的な実証ではありますが、量子重力の実証ではありません。しかし、これは物理学者たちが1世紀以上にわたって取り組んできた、終わりの見えない長い旅の一歩にすぎない。
「量子物理学が失敗する理由について、一貫した理論はありません」とチームメンバーのヴラトコ・ベドラル氏は言う。 「この実験は、量子力学をその最も刺激的なフロンティアの一つである重力に押し上げ、その予測が正しいことを再び示しました。」
チームの研究は水曜日(9月2日)に雑誌に掲載された。 科学の進歩。