巨大な分子でさえ量子世界の奇妙なルールに従う

土粒を1000倍に拡大すると、突然、もはや同じ法則に従っていないように見える。例えば、その輪郭はほとんどの場合、はっきりとは見えず、拡散して広がる雲のように見える。これが量子力学の奇妙な世界だ。「ある本には、粒子が同時に複数の場所に存在すると書かれていることがあります」と、オーストリア、ウィーン大学の物理学者マルクス・アルントは言う。「本当にそうなるかどうかは解釈の問題です。」

言い換えれば、量子粒子は時として波のように振る舞い、空間に広がります。互いにぶつかり合ったり、時には自分自身に跳ね返ったりすることもあります。しかし、この波のような物体を特定の機器で突いたり、近くの粒子と特定の方法で相互作用したりすると、波のような性質を失い、離散的な点、つまり粒子のように振る舞い始めます。物理学者たちは、原子、電子、その他の微細な物体が波のような状態と粒子のような状態の間を遷移する様子を何十年も観察してきました。

しかし、どのくらいの大きさになると量子効果は適用されなくなるのでしょうか？ 物体はどのくらいの大きさまで粒子と波の両方として振る舞うことができるのでしょうか？ 物理学者たちはこの疑問に答えるのに苦労してきました。実験の設計がほぼ不可能だったからです。

今回、アーント氏と彼のチームはこれらの課題を回避し、これまでで最大の物体、つまりタンパク質と同程度の大きさの2,000個の原子からなる分子において、量子波のような特性を観測しました。これらの分子の大きさは、これまでの記録の2.5倍に相当します。この現象を観察するため、彼らは分子を長さ5メートルの管に注入しました。管の先端にある標的に衝突した際、粒子は単にランダムに散らばった点として着地するのではなく、波が衝突して結合していることを示す明暗の縞模様、つまり干渉縞を形成しました。彼らはこの研究成果を本日、Nature Physics誌に発表しました。

「そもそもこれがうまく機能すること自体が驚きだ」と、この実験には関わっていないノースウェスタン大学のティモシー・コバチ氏は言う。量子物体は繊細で、環境との相互作用により波のような状態から粒子のような状態へと突然遷移するため、実現は極めて難しい実験だとコバチ氏は言う。物体が大きければ大きいほど、何かにぶつかったり、加熱したり、さらには分解したりする可能性が高くなり、それがこうした遷移の引き金となる。分子を波のような状態に保つため、研究チームは、警察がパレードのルートを封鎖するように、チューブの中に分子が通るための狭い通路を空けた。チューブ内は真空に保ち、バネとブレーキのシステムを使って装置全体がわずかでもぐらつかないようにする。物理学者たちは次に、分子が過度に加熱しないように、分子の速度を注意深く制御する必要があった。「本当に素晴らしいことだ」とコバチ氏は言う。

物理学者たちが探究している可能性の一つは、量子力学が実際にはあらゆるスケールに適用される可能性があるというものだ。「私たちが座って話しているとき、量子力学を感じません」とアーント氏は言う。私たちはそれぞれ明確な輪郭を持ち、池の波のように互いにぶつかり合ったり混ざり合ったりすることはない。「問題は、量子力学がこれほど奇妙なのに、なぜ世界はこれほど普通に見えるのかということです。」

アーント氏は、徐々に大きくなる物体における波のような振る舞いを観察することで、量子力学が私たちが通常知覚する世界にどのように移行するのかを解明したいと考えています。この目的のために、一部の物理学者は連続自発局在モデルなどの理論を提唱しています。このモデルは標準的な量子力学の数学を修正し、より大きな物体は波のような状態をより短い時間しか保てないことを示唆しています。今回の実験結果は、これらの理論のいくつかの可能性を制限するものだとアーント氏は言います。

実験を行うために、アーントのチームは緑色レーザーを用いて分子をチューブ内に打ち込みました。分子は光のエネルギーを吸収して前進します。その後、分子はナノメートル幅の薄いスリットが入った一連の金属格子を通過します。格子は単一の分子を複数の波に分割し、異なる方向に進む波を生成し、最終的にそれらを再結合させて干渉縞を形成します。これは、有名な二重スリット実験の改良版であり、「物質の波動性を示す代表的な例の一つ」だとコヴァチ氏は言います。

彼らは実験に最適な分子の設計にも多大な労力を費やしました。最終的に、化学式C ₇₀₇ H ₂₆₀ F ₉₀₈ N ₁₆ S ₅₃ Zn ₄で表される巨大な合成分子に落ち着きました。その構造は十分に頑丈で、打ち上げ時に周囲の原子が脱落することはありません。また、ポルフィリンと呼ばれる核原子群も含まれており、緑色の光を吸収して分子のモーターとして機能します。

現在、アーントのチームは、この実験をさらに質量の大きい物体に適用する計画を立てている。彼らは、特注の分子の10倍の質量を持つ金属ナノ粒子において、波のような特性を観測できるかどうかを検証したいと考えている。最終的には、さらにマクロな領域に近い物体において、波のような干渉現象を作り出すことを目指している。「ウイルスや細菌でも同様の実験は可能でしょうか？スケールアップしていくことができます」とコヴァチ氏は言う。量子力学は、私たちの世界に小さな異星世界を挿入した。物理学者たちは、これらの実験を行うことで、この二つの世界が交わる境界を見つけたいと考えている。

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