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カリフォルニア工科大学のチームが、宇宙に微小な量子的揺らぎがあるかどうかを教えてくれるかもしれない卓上実験を考案したと発表しました。彼らは光の量子である単一光子を使って、2つの鏡の間の距離を精密に追跡したいと考えています。なぜ誰もこれを以前に思いつかなかったのでしょうか？見ていきましょう。
この新しい実験は物理学における大きな問題を解決する可能性があります。それは重力と量子力学が相性良く共存できないという問題です。アインシュタインの重力理論である一般相対性理論では、時空は滑らかで秩序立った背景であるとされています。しかし量子力学では、何も滑らかではありません。すべてはぴくぴくと揺れ動き、ノイズだらけで、確率の集合体です。物理学者たちは重力と量子物理学を組み合わせた理論を必要としています。この未発見の理論は「量子重力」と呼ばれています。
そして量子重力理論に対する最も一般的な期待の一つは、空間と時間もまた量子的揺らぎを持つということです。この新しい実験はそれらを探そうとしています。
これはLIGO（レーザー干渉計重力波観測所）などの重力波干渉計と同じアイデアに基づいた単純な設計です。彼らは互いに隣接した2つの干渉計を使用したいと考えており、それぞれ約5メートルのサイズです。このサイズで、彼らは数十メガヘルツの周波数範囲で量子揺らぎからの最大の信号を見ることを期待しています。比較のために、LIGOは数百ヘルツの範囲で測定します。つまり、はるかに低い周波数で、それに応じてはるかに大きな波長で測定するのです。
干渉計の仕組みは、レーザーを直交する2つの方向に前後に照射し、その結果を比較することです。アームの長さを調整して、一方の出力ポートでは波が完全に打ち消しあうようにします。なぜならそこでは干渉が破壊的だからです。
この実験では、量子揺らぎからのノイズがない場合に完全な打ち消しが得られるように長さを調整したいと考えています。そして、それにもかかわらず到着するであろう単一光子を探します。これらの単一光子がアイデアによれば、空間の量子揺らぎの兆候となるでしょう。
彼らはまず半径約0.5メートルの実験プロトタイプを構築し、次に目標サイズである5メートルのものを作り、その後2つ目を作りたいと考えています。2つ目の干渉計があるのは、彼らが探しているノイズが両方の干渉計で相関するのに対し、機器自体から来るようなその他のノイズは相関しないと彼らが言うからです。つまり、2つ目の干渉計を使用して基本的にノイズとノイズを区別することができます。
空間の量子揺らぎを探すというのは新しいアイデアではありません。これを見つけるための様々な過去の試みがありました。例えば、一部の物理学者は、そのような揺らぎが遠方の恒星天体からの光学信号にわずかなぼかしをもたらすはずだと言っています。これは、空間の量子揺らぎが光が移動する正確な距離を変えることができるためです。
しかし、問題は、光円錐揺らぎと呼ばれるこれらの揺らぎがあまりにも小さいため、光が宇宙全体を通過しても測定可能な効果を生み出さないということです。これは空間時間の揺らぎに対する最も保守的なモデルを使用した場合のことです。
もちろん、より刺激的な理論を考案することもできます。空間時間の揺らぎに対するこれらの新しい理論は、実験によってテストすることができます。例えば、遠方のクエーサーからの光に不審な系統的なぼかしがないかを探すなどです。これらの理論がテストできる範囲では、それらは否定されています。
また、特殊なタイプの「ホログラフィック」空間時間揺らぎを探す過去の実験もありました。それはホロメーター（Holometer）と呼ばれ、新たに提案された実験と同様の2干渉計セットアップを使用してフェルミ国立加速器研究所（Fermilab）で実行されました。ホロメーターも何も見つけませんでした。
どちらの場合も、問題は彼らが探していた揺らぎがアインシュタインの理論の対称性であるローレンツ不変性に違反するということでした。しかし、他の実験から、これらの対称性の違反が存在するとしても、それらは非常に小さくなければならないことがわかっています。これらの新しい実験で測定できないほど小さいのです。彼らが探していた効果は、すでに他の実験によって否定されていました。
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新しい実験は彼らが「geontropic（ジオントロピック）」と呼ぶ特定のタイプの量子揺らぎを探しています。これらはエリック・ヴァーリンデの「エントロピック重力」というアイデアの帰結です。それによれば、重力は空間時間の揺らぎにおけるエンタングルメントエントロピーの現れです。
それが意味不明に聞こえても心配ありません。なぜなら、彼らは実際にこのエンタングルメントのことを使っていないからです。彼らは単に、等方的な、つまり膨張と収縮を繰り返す風船のような、新しい種類の空間時間揺らぎがあることを仮定しています。彼らはこれを「pixellon（ピクセロン）」場とモデル化しています。なぜなら、それらは一種の空間時間ピクセルをエンコードするからです。
しかし、彼らが使用する方程式を見れば、それらもまたローレンツ不変性に違反していることがすぐにわかります。彼らは論文の中で、この対称性の違反が揺らぎ自体にはなく、干渉計から来ると主張しています。しかし、それは単なる言葉であり、彼らが使用する数学では表現されていません。
申し訳ありませんが、私の予測では彼らは何も発見しないでしょう。なぜなら、もしそのような効果が存在するならば、それらはすでに他の測定と矛盾するからです。とはいえ、私が間違っているかもしれませんし、これが最終的に物理学を行き詰まりから解放する実験かもしれません。いずれにせよ、最新情報をお伝えしますので、ぜひチャンネル登録をお忘れなく。
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