小さなガラスビーズは自然が許す限り静止している

ウィーンの研究室のテーブルの上の小さな金属製の箱の中に、物理学者マルクス・アスペルマイヤーと彼のチームは、おそらく地球上で最も静かな場所を作り出した。

問題の領域は、箱の中央にある微小な点だ。ここでは、砂粒の1000分の1ほどの大きさの小さなガラスビーズが宙に浮いている（ただし、箱は真空中なので空気は存在しない）。アスペルマイヤーの装置はレーザーを用いて、このガラスビーズを文字通り静止させる。物理法則が許す限り、ガラスビーズは可能な限り静止している。物理学者が「運動基底状態」と呼ぶ状態だ。「基底状態とは、物体からこれ以上エネルギーを引き出せない限界の状態です」と、ウィーン大学で研究するアスペルマイヤーは言う。彼らは、ガラスビーズを何時間も静止状態に保つことができる。

この静寂は、山中の湖を見下ろしている時、防音スタジオに座っている時、あるいはテーブルの上に置かれたノートパソコンをただ見つめている時でさえ、これまで感じたことのない静寂です。テーブルは一見静かそうに見えますが、もし拡大して見れば、換気システムを通して循環する空気分子によって表面が攻撃されているのがわかるでしょう、とアスペルマイヤーは言います。よく見れば、微細な粒子や糸くずが転がっているのがわかるでしょう。私たちの日常生活において、静寂は幻想です。私たちはあまりにも大きく、その混沌に気づかないのです。

しかし、このビーズは、人間と見なすかダニと見なすかに関わらず、真に静止している。そして、この静止レベルに達すると、量子力学の奇妙な法則が働き、運動に関する私たちの常識は崩れ去る。まず、ビーズは「非局在化」するとアスペルマイヤーは言う。ビーズは広がる。もはや明確な位置を持たない。池の波紋のように、特定の場所に留まらず、水面に広がる波紋のように。ビーズと真空の間に明確な境界を維持する代わりに、ビーズの輪郭はぼやけて拡散する。

技術的には、ビーズは静止の限界に達しているにもかかわらず、自身の直径の約1000分の1ほど動いています。「物理学者はこれを面白い名前で呼んでいます。『系の真空エネルギー』です」とアスペルマイヤーは言います。言い換えれば、自然界はいかなる物体も完全に運動をゼロにすることを許していません。常に何らかの量子的な揺れがあるはずです。

ビーズの静止には、もう一つの注意点がある。アスペルマイヤーのチームは、ビーズを3次元すべてではなく、1次元のみで運動基底状態にしたのだ。しかし、このレベルの静止状態を達成するまでに10年を要した。ウィーン大学の物理学者ウロシュ・デリッチ氏によると、大きな課題の一つは、ビーズをレーザービーム内で浮遊させたままにすることだったという。デリッチ氏は、この実験が始まった当初から、最初は学部生、次に博士課程の学生、そして現在はポスドク研究員として研究に取り組んできた。

研究チームは本日、この研究結果をScience誌に発表した。論文では、赤外線光子をビーズにぶつけることで速度を落とす仕組みについて説明している。物体を叩きつけて速度を落とすのは直感に反するように思えるが、その仕組みは遊び場のブランコで速度を落とすのと似ていると、この研究には関わっていないスイス連邦工科大学チューリッヒ校の物理学者ルーカス・ノヴォトニー氏は説明する。ブランコの動きに逆らって足を押すと速度が落ちる。同様に、揺れるビーズを減速させるには、赤外線光子がビーズに向かってくるタイミングで当たるようにタイミングを合わせている。

物体を強制的に運動基底状態にしたのは、彼らが初めてではない。物理学者たちは過去にも、単一の原子や原子雲でこれを達成している。また、表面に固定された同程度の大きさの物体でも同様の成果を上げている。しかし、浮遊する固体を減速させて運動基底状態にしたのは今回が初めてだとアスペルマイヤー氏は言う。

しかし、浮遊した静止固体は、多くの物理学者の野心的なアイデアの鍵となる要素です。ノースウェスタン大学のアンディ・ジェラシ氏によると、これらのビーズは極めて高精度なセンサーとして利用できるとのことです。例えば、ジェラシ氏は、物理法則の統一を試みる理論によって予測される微小な力を探すために、同様の浮遊ビーズの動きをモニターする実験を行っています。これまでのところ、これらの力が存在するという説得力のある証拠は見つかっていませんが、それはこれらの力が現在の機器では検出できないほど弱すぎるためかもしれません。ジェラシ氏によると、運動している基底状態にあるナノ粒子は、さらに小さな力にも反応できる可能性があるとのことです。

物理学者は、このビーズを使って微妙な重力実験を行うこともできます。過去10年間、並行してプロジェクトに取り組んできたアスペルマイヤー氏とノボトニー氏は、このようなビーズを落下させて何が起こるかを観察する実験に取り組んでいます。理論上、レーザーによる浮遊状態からビーズを解放すると、そのぼんやりとした輪郭がさらに広がり、より大きく、より拡散した雲になることが予測されます。彼らは、ビーズを実際には2つの異なる場所にある2つの異なるビーズの量子的な重ね合わせにすることができると考えています。彼らの目標の一つは、この雲（旧称ビーズ）が落下する際に、特定の構成の軌道を理解することです。このような実験の結果は、量子力学理論と重力理論を両立させる方法についてのアイデアを提供する可能性があります。

しかし、アスペルマイヤー氏とノボトニー氏は、これらの実験の実現にはまだまだ何年もかかると予想している。大きな難点の一つは、量子物体を測定すると、その物体自体が本質的に変化してしまうことだ。これは量子力学の根本的なジレンマである。ビーズに関する情報を探すと、その情報は失われてしまうのだ。研究者たちは、ビーズの挙動を観察することなく追跡する技術を開発する必要がある。

より広範な目標は「これまで誰も測ったことのない場所を測ること」だとノボトニー氏は言う。そして、この小さく静かなビーズを作ることは、彼らの未知への第一歩なのだ。

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