物理学において最も探求されている粒子は暗黒物質ではなく、重力の量子である重力子である。重力子の測定に成功すれば、アインシュタインの理論が最終的には不完全であり、時空に量子的性質を付与するより包括的な理論に置き換える必要があることを証明できる。これまで重力子の測定は不可能と考えられてきたが、新たな研究論文では、ブラックホール合体からの重力波を利用し、レーザー光の光子と重力波の重力子の間でエネルギー交換を測定する方法が提案されている。さらに野心的なアイデアとして、量子状態のレーザー光を用いて重力子との量子もつれ状態を作り出すことで、重力場の量子的性質を直接検証する可能性が示されている。ただし、この実験には現在の技術では達成困難な、約10の30乗個の光子を量子状態として制御する必要があるという大きな技術的障壁が存在する。
重力子：物理学で最も探求される粒子
物理学において最も探求されている粒子は暗黒物質ではなく、重力子、つまり重力の量子なんです。もし私たちがこれを測定できれば、アインシュタインの理論が最終的には間違っており、時空に量子的性質を付与するより完全な理論に置き換える必要があることを明白に証明できるでしょう。
私たちはこの粒子を測定することは不可能だと考えていましたが、プレスリリースでこんな内容を読んだばかりです。ある物理学者が「重力波を観測するだけでなく、重力子の誘導放出と吸収を通じて初めて重力波を操作することが可能かもしれない」ことを示し、さらに「この実験は重力場の量子的性質に関する情報も提供できる可能性がある」と証明したというのです。
この論文は、この分野をリードする学術誌であるPhysical Review Lettersに掲載されました。これが私たちが待ち望んでいたブレークスルーになるかもしれませんね。では見ていきましょう。
電磁波と重力波の類似性
電磁波は実際には小さなエネルギー粒子で構成されています。これが光子です。重力波も同様に、重力子と呼ばれる小さなエネルギー粒子で構成されているはずなんです。
ほとんどの物理学者は重力子が存在すると信じています。なぜなら、完全な量子重力理論は持っていないものの、近似的な理論は持っているからです。そしてこの理論によれば、重力子は存在するはずだと言えます。
しかし、これは一義的な議論ではありません。というのも、重力はいくつかの点で他の相互作用とは異なっているからです。一部の物理学者は、重力波が重力子で構成されているという考えは、水の波が水分子で構成されていると考えるのと同じくらい馬鹿げていると考えています。
水は水分子でできていますが、水の波の理論を取り上げてそれを量子論に変換することでそれを発見することはできません。だからこそ、重力子を測定することがこれほど重要なことなんです。
重力波と重力子の違い
重力波については、物理学者たちはそれが存在しなければならないことを示す非常に強力な理論的根拠を持っていました。重力波はアインシュタイン理論の数学的帰結なんです。しかし重力子はそうではありません。
重力子の存在を証明する上での問題は、それを作り出して測定することが信じられないほど難しいということです。この新しい論文の著者は、今回巧妙なアイデアを思いつきました。
彼はこう言っています。「ブラックホールの合体から来る重力波を観測しよう」と。なぜなら、私たちはすでにそれらを検出できますし、これらには膨大な量の重力子が含まれているからです。もし重力子が存在するならば、という前提ですが。
LIGOによる重力波の測定方法
通常、重力波の存在はLIGOのような大型干渉計で測定されます。干渉計の内部では、レーザー光線が互いに垂直な2つの方向に往復します。
重力波が通過すると、2つのアームの相対的な長さがわずかに変化し、それが光の位相、つまり山と谷の位置のずれとなって現れます。この位相のずれを測定できるわけです。
基本的には、2つの鏡が置いた場所から正確には元の位置にないことを証明するための、20年にわたる数十億ドル規模の取り組みなんです。
新しい測定アプローチ
新しい論文で著者はこう言っています。「わかった、でも重力波が重力子で構成されているなら、観測可能な別の結果があるはずだ」と。つまり、レーザー光線を構成する光子が、重力波を構成する重力子とエネルギーを交換できるはずだということです。そしてこのエネルギー変化も測定可能であるはずなんです。
これがプレスリリースで「操作」という言葉で意味していることです。レーザーパルスをどのように増幅するかによって、重力波にエネルギーを注入したり、そこからエネルギーを抽出したりできるんです。そして著者が示すところでは、これはもう少し技術的な努力を加えることで測定可能になるはずだということです。
素晴らしく聞こえますが、これは重力波が実際に重力子で構成されていたことを証明するものではありません。
なぜなら、量子論について何も言及せずに同じエネルギー変化を説明することが可能だからです。著者は論文の中でこの点について非常に明確にしています。
より野心的な実験提案
では、なぜプレスリリースではこれが重力場の量子的性質をテストできる可能性があると述べているのでしょうか。それは、著者がより大胆なアイデアを持っているからです。
彼はこう主張しています。「まずレーザー光線を量子状態に変換して、一方のアームともう一方のアームに大量の光子の重ね合わせ状態を作ろう」と。
この量子状態が重力波と相互作用すると、重力波を構成する重力子との間でもつれた状態を作り出すはずです。しかし、そしてこれが重要な部分なのですが、これは重力波が最初から量子的性質を持つことができる場合にのみ起こり得るんです。そうでなければ機能しません。
そして認めざるを得ませんが、これは本当に天才的なアイデアです。もし彼らがこれに成功したら、この人はノーベル賞を受賞するでしょう。
技術的な課題
ただ1つ問題があります。レーザー光線をビームスプリッターに向けて発射すると、基本的には2つの弱いレーザー光線が得られます。一方のアームに多数の光子、もう一方のアームに多数の光子という重ね合わせ状態は得られないんです。
光子が本質的に1つのように振る舞う状態を作ることはできます。しかしこれは、レーザーを半透明の鏡に通すよりもはるかに難しいことです。現時点で、物理学者たちは一度に約5個の光子でこれを行うことができます。
この実験を実現するには、おそらく約10の30乗個が必要だと思います。ですから、そうですね、ここではもう少し技術的な努力が必要です。
論文の評価
私はこの論文にナンセンスメーターで10点満点中2点を与えます。著者は計算において非常に慎重です。ただ、実験的な見通しについては少し楽観的すぎると思います。
とはいえ、私自身も理論家であって実験家ではありません。そしてそのような立場から、実験家についての理論を持っています。それは、一般的に彼らは理論には興味がないということです。彼らはただクレイジーなことをやるんです。そしてこれこそが、最終的に私たちが進歩を遂げる方法だと信じています。
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