原子は幽霊のように障壁をどのくらい速くすり抜けることができるのでしょうか?

1927年、ドイツの物理学者フリードリヒ・フントは、原子がどのように結合して分子を形成するかを理解しようとしていた際に、量子力学の最も魅力的な側面の一つを発見しました。彼は、特定の条件下では、原子、電子、そして自然界の他の小さな粒子が、巨視的な物体でさえも理解できないような物理的障壁を、幽霊のように壁を通り抜けて移動できることを発見しました。この法則によれば、閉じ込められた電子は外部からの影響を受けずに閉じ込めから逃れることができます。まるで、ゴルフコースの1番ホールに置かれたゴルフボールが、誰もクラブを持ち上げていないのに突然消えて2番ホールに現れるようなものです。この現象は全く未知のもので、「量子トンネル効果」として知られるようになりました。

それ以来、物理学者たちはトンネル効果が自然界で最も劇的な現象のいくつかにおいて重要な役割を果たしていることを発見してきました。例えば、量子トンネル効果は太陽の輝きを生み出します。量子トンネル効果により、星の中心核にある水素原子核は互いに接近し、ヘリウムに核融合します。ウラン238などの多くの放射性物質は、トンネル効果によって物質を放出することで、より小さな元素に崩壊します。物理学者たちはトンネル効果を利用して、プロトタイプの量子コンピュータや、単一原子を画像化できるいわゆる走査型トンネル顕微鏡に用いられる技術さえも発明しました。

それでも、専門家たちはそのプロセスを詳細に理解していない。トロント大学の物理学者たちは本日、ネイチャー誌に量子トンネル効果に関する新たな基礎測定法を報告した。それは、トンネル効果にかかる時間だ。ゴルフの例えに戻ると、彼らは基本的に、ボールがホールとホールの間にどれくらいの時間をとったかを計測したことになる。「この実験では、『ある粒子が障壁の中でどれくらいの時間を過ごしたか？』を問いました」と、このプロジェクトを率いたトロント大学の物理学者エフライム・スタインバーグは述べている。

原子にとっての「障壁」は、物質的な壁や仕切りではありません。物理学者は原子を閉じ込めるために、一般的に光でできた力場、あるいは電気的な引力や斥力といった目に見えないメカニズムを用います。この実験では、研究チームは青色レーザー光でできた障壁の片側にルビジウム原子を閉じ込めました。レーザー光の光子が力場を形成し、ルビジウムを押して空間内に閉じ込めました。その結果、原子は光障壁内で約0.61ミリ秒間滞在してから反対側に飛び出すことがわかりました。正確な時間は障壁の厚さと原子の速度に依存しますが、重要な発見は「トンネル時間はゼロではない」ということです。これは、当時スタインバーグの大学院生で、現在はスペインの光子科学研究所で博士研究員を務める物理学者ラモン・ラモス氏が述べています。

この結果は、昨年ネイチャー誌に掲載された実験結果と矛盾すると、オハイオ州立大学の物理学者アレクサンドラ・ランズマン氏は述べている。ランズマン氏はどちらの実験にも関与していない。その論文では、オーストラリアのグリフィス大学の物理学者らが率いるチームが、トンネル効果は瞬時に起こることを示唆する測定結果を発表している。

では、どちらの実験が正しいのでしょうか？トンネル効果は瞬時に起こるのでしょうか？それとも1ミリ秒ほどかかるのでしょうか？答えはそう単純ではないかもしれません。2つの実験の食い違いは、量子物理学界においてナノスケールで時間をどのように計測するかをめぐって、長年くすぶってきた意見の相違に起因しています。「過去70年、80年の間に、人々は時間について様々な定義を考案してきました」とランズマン氏は言います。「個別に見れば、多くの定義は理にかなっていますが、同時に、互いに矛盾する予測も導き出しています。だからこそ、過去10年間、これほど多くの議論と論争が繰り広げられてきたのです。あるグループはある定義が理にかなっていると考え、別のグループは別の定義を考えているのです。」

議論は数学的な要素が多く、難解なものになるが、要するに物理学者の間で量子過程の開始と停止のタイミングについて意見が一致していないということだ。量子粒子はほとんどの場合明確な特性を持たず、確率として存在することを思い出すと、その微妙な違いは明らかだ。空中で投げたコインが表にも裏にもならず、着地するまではどちらにもなり得るのと同じだ。原子は空間に広がる波と考えることができる。その波の正確な位置は定義されていない。例えば、ある場所に50%の確率で存在し、別の場所に50%の確率で存在する、といった具合だ。こうした曖昧な特性では、粒子が障壁に「入った」とみなされるのか「出た」とみなされるのか、判断が難しい。それに加えて、物理学者には、粒子の運動に合わせて開始と停止を制御できるほど正確なタイミング機構を構築するという技術的な課題も課せられている。スタインバーグ氏は、必要なレベルの制御を実現するために、この実験を20年以上にわたって微調整してきたという。

スタインバーグとラモスのチームは、スピンと呼ばれる原子の性質を利用することで、原子を本質的に小さなストップウォッチに仕立て上げた。簡単に言えば、原子は小さなコマのようなもので、磁場中を移動すると、その軸が一定に円を描いて揺れ動く。磁場内での原子の揺れの向きを追跡することで、時間を計ることができる。彼らは障壁内にのみ存在する磁場を作り出し、原子が障壁に入る前と入った後の揺れの方向を測定し、その測定値に基づいてトンネル時間を計算した。「私たちは原子に内部時計を与えたのです」とラモスは言う。

量子領域で時間を計るこの方法（磁場内で粒子がリズミカルに揺れる様子を観察する）には特別な名前さえあります。これは、20 世紀初頭に磁場内での原子の挙動を研究したアイルランドの物理学者ジョセフ・ラーモアにちなんで名付けられました。

2019年にグリフィス大学で行われた実験で、物理学者たちは水素原子内の電子が原子からトンネル効果で抜け出す速度を測定しました。負に帯電した電子は水素の正電荷を持つ原子核に引き寄せられます。この引力によって、電子は水素原子核の近くに閉じ込められ、電気障壁が形成されます。研究者たちは、原子に極めて短いレーザーパルスを照射することで、電子をわずかに引っ張り、トンネル効果を高めました。レーザーパルスの輝度がピークに達した時点を測定し、それが電子がトンネル効果を開始した時点と仮定しました。そして、電子が原子からトンネル効果で抜け出したと仮定した場合、その電子の速度と向きを検出器で測定し、その情報を用いて電子が障壁の反対側から出てきた時点を計算しました。その結果、電子は10億分の2秒（2アト秒）未満で原子からトンネル効果で抜け出したことが分かり、瞬時に発生したことが示唆されました。この短いレーザーパルスを用いた手法は、アトクロック法として知られています。

ランズマン氏は、トンネル効果は瞬時に起こるはずがないと考えている。物理学者が用いる計測機器には本質的に欠陥があるため、あるプロセスが正確にゼロ秒であることを真に測定することは不可能だ。「実験的に証明できるとは思えません」と彼女は言う。

両チームが時間の定義を実際に異なるものにしているため、両方の実験が正しい可能性もある。「我々の研究結果とこの研究の間には、全く論争や矛盾はない」と、アトクロック実験に携わったグリフィス大学の物理学者イゴール・リトヴィニュク氏はWIREDへのメールで述べている。

それでも、両研究グループは、粒子がトンネル効果を及ぼす時間について全く異なる二つの見解を描き、1980年代以来ほとんど進展していなかった議論に火をつけた。当時、物理学者たちは時間の定義について理論上は盛んに議論していたものの、トンネル効果の時間を検証する技術はなかった。「長い間、純粋に理論的な議論でした」とランズマン氏は言う。

スタインバーグ氏は今後の実験で、原子が障壁を通過する際の軌道をより詳細に研究したいと考えている。「粒子が障壁の始まり、中間、そして終わりでどれだけの時間を過ごすのかを知りたいのです」と彼は言う。これは議論の余地のある問題だ。なぜなら、すべての物理学者がスタインバーグ氏の主張に同意するわけではないからだ。多くの物理学者は、量子論は量子系の測定は本質的に系を変化させることを示唆しており、科学者が客観的な現実を知る能力を阻害していると考えている。

「『量子物体が障壁領域内で過ごす時間』が、客観的な現実を表す完全に意味のある概念であるとは、私にはあまり納得できない」とリトヴィニュクは書いている。現実を正確に観測できるかどうかをめぐるこの議論は、量子力学の「測定問題」として広く知られており、量子力学の様々な解釈を生み出してきた。その中には、誰かが測定を行うたびに宇宙が平行な枝に分裂するという考え方も含まれる。

ラーモア実験とアトクロック実験により、物理学者はトンネル効果の時間を測定する全く異なる2つの手法を手にしました。どちらの実験もトンネル効果の持続時間という疑問を解明するものではありません。しかし、この2つの異なるシステムを分析・比較することで、物理学者は真実に近づくことができるとランズマン氏は述べています。「これらの実験は、この分野の研究をさらに活発に促進するでしょう」と彼女は言います。一見奇妙に聞こえるかもしれませんが、このような量子実験は、私たちの周りのあらゆる物質を構成する基本的なプロセスへの手がかりを与えてくれます。

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