14年間時計の針を見つめ続けた物理学者たち

WIREDに掲載されているすべての製品は、編集者が独自に選定したものです。ただし、小売店やリンクを経由した製品購入から報酬を受け取る場合があります。詳細はこちらをご覧ください。

ビジュナス・パトラ氏の実験は、実に退屈そうに聞こえる。世界中から最も正確な時計を12個集め、それらが刻むのを観察するのだ。物理学者がペンキが乾くのを観察するのと同じようなものだ。コロラド州ボルダーにある国立標準技術研究所（NIST）を拠点とするパトラ氏のチームは、1999年11月11日から時計のモニタリングを開始した。そして、14年以上、約4億5000万秒*にわたってモニタリングを続けている。

しかし、彼らの忍耐は報われました。月曜日にネイチャー・フィジックス誌に掲載された論文で、パトラのチームは極めて単調な実験から得られた重要な結果を発表しました。パトラによると、時計の針の音は、物理法則の最も基本的な原則の一つ、つまり宇宙のいかなる時間や場所にも特別なものはないということを実際に示しているのです。これは、惑星が太陽の周りを回る仕組みや、中性子星が衝突して重力波を生み出す仕組みを正しく説明するアインシュタインの一般相対性理論の基本的な考え方の一つです。物理法則は、月が形成された45億年前、あるいはあなたがクリードを聴いていた2000年当時も、今日も同じように適用されています。

原理は明白に思える。今日ボールを投げれば、昨日と同じように着地する。当たり前だろう。しかし、物理法則が日々、ほんの少しでも変化していないと、一体どうやってわかるのだろうか？これは、あらゆる科学の根底にある隠れた論理的前提だ。飛行機はいつも飛ぶから、私たちは飛ぶと仮定する。重曹と酢はいつも泡立つから、私たちは泡立つと仮定する。しかし、物理法則が時間や場所によって変化していて、私たちがそれを認識できないだけならどうだろうか？

「変化はごくわずかかもしれません」と、モンタナ州立大学の物理学者ニコラス・ユネス氏は言う。ユネス氏は今回の実験には関わっていない。これまでの証拠はすべて物理法則は変化しないことを示していますが、完全に確信することはできません。「私たちが測定するものはすべて近似値です」と彼は言う。「定規で距離を測る場合、定規の精度までしか測ることができません。」

物理法則の変化を捉えるには、基本的に、できるだけ多くの場所で、同じ作業を何度も、非常に正確に、そして丹念に繰り返す必要があります。もし結果が少しでも変化したら、それは自然の法則があなたに変化をもたらしたというヒントです。パトラの課題は、14年以上もの間、うんざりするほど時計の針が進むのを見つめ続けることです。

彼のチームが原子時計を選んだのは、人類が発明した最も精密な機械の一つだからです。振り子の揺れや水晶の振動ではなく、原子の一定の鼓動に従って時を刻みます。原子は、1秒間に数十億回という一定の速度で振動する光波を発するように設計されており、パトラの時計は光の周期を数えます。その周期は非常に安定しているため、数千万年経っても1秒たりとも進みません。

しかし、パトラのチームは時間を計ることに興味がなかった。彼らが研究していたのは、時計内部の原子から発せられる光だった。その光の色は、その起源となる原子の構造、つまり原子核と電子の相互作用について何かを教えてくれる。原子核と電子はどちらもわずかな磁性を持っており、それが互いをわずかに押し引きするのだ。

パトラ研究室がこの難解な現象を研究対象に選んだのは、時計で高精度に観測できるからだ。時計は温度と湿度が管理された部屋に設置され、原子は真空密閉容器に保管されている。NIST職員は交代制で時計を適切に管理している。「温度が0.5度以上変化すると、アラームが鳴って修理に向かいます」とパトラ氏は言う。「ほとんどの作業は自動化されていますが、常に誰かが監視し、誰かがポケベルを携帯しています。」パトラ氏のチームは、地球の重力など、考えられるあらゆる環境要因を考慮することができる。

彼らはまた、磁気相互作用が異なる原子に対して同じように起こるかどうかも調べたいと考え、2種類の異なる時計を使用しました。1つは水素原子を含み、もう1つは水素原子の100倍以上重いセシウムを含みます。彼らが検証した概念は、ガリレオがピサの斜塔から質量の異なる2つの物体を落とし、同じ加速度で落下したという、伝説的な実験に似ています。パトラは、異なる数の陽子、電子、中性子から構成されている2つの異なる原子における磁気相互作用が、時間と空間を超えて同じように振る舞うかどうかを調べたかったのです。

そこで1999年11月から2014年10月まで、彼らはこれらの磁気相互作用を何度も繰り返し観測しました。しかも、時計を物理的に動かすことなく、複数の場所で相互作用を観測することに成功しました。技術的には、時計は地球と共に太陽の周りを周回するため、日によって測定場所は宇宙の異なる場所になります。「実験室を太陽の周りを14回も回しました」とパトラ氏は言います。彼は冗談を言っているわけではありません。地球は宇宙のいくつかの独特な領域を移動していることが判明したのです。地球の軌道は完全な円ではなく、太陽からの距離も変化するため、時計は変化する重力場の中を移動したのです。

結論は？セシウムと水素の素粒子は、地球の軌道上の異なる地点であっても、14年間にわたってまったく同じように振舞った。

誤解のないように言っておくと、パトラ氏のグループは物理法則があらゆる時空を超えて不変であることを決定的に証明したわけではない。彼らが言えるのは、過去14年間、人類が提供できる最良の工学技術によれば、我々のいる宇宙の領域では物理法則は変化していないということだけだ。それでも、彼らは10年前と比べると5倍の確信を持ってこれを言えるようになった。そして、もしこれが地球の宇宙における位置について当てはまるなら、他の場所でも当てはまると考えるのは飛躍しすぎではないと、フロリダ大学の物理学者クリフォード・ウィル氏は述べている。ウィル氏は今回の研究には関わっていない。「地球の物理法則が他の銀河や宇宙の他の時代でも同じであるはずだというのは、悪い仮定ではなく、それを裏付ける証拠もいくつかある」とウィル氏は言う。

ウィルは結果に驚いていない。もし磁気相互作用が日々変化していることが判明していたら、現在の物理学理論を覆していただろう。「でも、何か発見できるかもしれないから、限界に挑戦してみる価値はある」と彼は言う。

特に、基礎的な事実を可能な限り確認し続けることが重要です。アインシュタインの一般相対性理論は、研究者が宇宙で観測した事実のほとんどを驚くほどうまく説明しています。しかし、全てを説明できるわけではないとユネス氏は言います。暗黒物質とは何か、なぜ宇宙が加速膨張しているのかを説明していません。つまり、この理論には何かが欠けているのです。そして、これらの検証は物理学者たちがそれを解明するのに役立つでしょう。

パトラのチームは、改良された時計を使ってこの実験を再度行う予定です。この磁気相互作用を、これまでの3倍の精度で観測できるようになるはずです。宇宙の本質に関する新たな手がかりが見つかるかどうかは、時が経てば分かることでしょう。

*2018年6月4日午後3時10分訂正：この記事の以前のバージョンでは、実験の経過秒数が誤って記載されていました。

2020 年 1 月 7 日午後 4 時 (東部標準時) に更新: 記事は、ガリレオのピサの斜塔の実験の説明を修正するために更新されました。

WIREDのその他の素晴らしい記事