重力は量ですか? 宇宙の深さを探索する新しい体験

• 科学者たちは重力が量子であるかどうかをテストする実験を開発中です
• 原子や分子の挙動を記述する量子力学では、物体は私たちが知っているすべてのものとは異なる動作をします。つまり、物体は同時に 2 つの場所に存在するような量子重ね合わせの状態になることがあります。
• 現在、科学者たちは、小さなダイヤモンドを真空中に浮遊させることによって、重力がこのように働くかどうかを判断する方法を探しています。
• もし重力が量子であれば、ダイヤモンドは「絡まる」でしょう – 日常生活では不可能な方法で 2 つの物体を強く結び付ける興味深い現象です
• この研究はブラックホールを理解するのに役立ちます 大爆発そして宇宙

量子重力実験

科学者たちは、宇宙に関する最も深い疑問の一つである重力が量子であるかどうかをテストする実験を開発中です。

一般相対性理論と量子力学は、自然に関する 2 つの基本的な説明です。 一般相対性理論は重力を大規模に説明し、量子力学は原子や分子の挙動を説明します。

理論の統一への挑戦

おそらく、基礎物理学における最も重要な未解決の問題は、これら 2 つの理論を組み合わせる正しい方法、つまり重力が量子レベルで機能するかどうかを判断することです。 理論的な研究は多くの可能性を示唆していますが、重力の挙動を完全に理解するには実験が必要です。

ギャビン・モーリーの研究室のレーザービームは、ダイヤモンドの量子特性を調査します。 クレジット: ギャビン・モーリー

グローバルコンソーシアムによる革命的な経験

100 年間、重力の量子的性質に関する実験は現実離れしたもののように思われていましたが、現在、ウォリック大学、ユニバーシティ カレッジ ロンドン、エール大学 (米国)、ノースウェスタン大学 (米国)、およびフローニンゲン大学 (オランダ) に拠点を置く科学者たちが協力して、このパズルを調べてください。 。

彼らの新しいアイデアは、2 つの小さなダイヤモンドを真空中に持ち上げ、両方を同時に 2 つの場所に存在するという量子重ね合わせ状態に置くことです。 この直感に反する動作は、量子力学の基本的な特徴です。

モーリー教授の実験のビジョン

それぞれのダイヤモンドは、シュレディンガーの猫の小型版と考えることができます。 主任研究者 ギャビン・モーリー教授、物理学科 ウォリック大学彼は次のように説明します。「シュレディンガーの猫は、日常の物体 (そしてペット!) が同時に 2 つの場所にいて量子重ね合わせ状態にあるのは本当に奇妙であることを示唆する思考実験です。私たちはこの限界をテストしたいと考えています。アイデア。”

「私たちは原子と分子をこの重ね合わせ状態に置くことに成功しましたが、もっと大きな物体でもそれをやりたいと考えています。私たちのダイヤモンドは10億個以上の原子で構成されています。重力の量子的性質をテストするには、相互作用を探さなければなりません。重力のせいで、これらの 2 つのダイヤモンドの間には存在しません。」

「重力が量子であれば、2 つのダイヤモンドを絡ませることができるでしょう。もつれとは、2 つのものが日常生活で可能な以上に強く結びつく、独特の量子効果です。たとえば、2 枚のコインが絡まることができたら、次のことがわかるかもしれません。」裏返すと、表か裏かは分かりませんが、同じように降りてきます。

課題と影響

このアイデアの実現にはまだ多くの課題があり、チームはプロジェクト中にそれを調査する予定です。 「たとえば、重力以外のナノ粒子間の相互作用をすべて排除する必要がありますが、重力が非常に弱いため、これは非常に困難です」とデイビッド・ムーア博士は述べています。 イェール大学。

新しい学際的な量子技術研究イニシアチブであるワーウィック・クォンタムの創設ディレクターであるモーリー教授は、次のように付け加えた。「私にとって、現在物理学で最も重要な問題は、重力の量子的性質をテストできる実験を開発することです。 この新しいプロジェクトは、まさにそれを目指すエキサイティングな旅を加速するものです。

共同研究者からの視点

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンのスガト・ボーズ教授は、「物理学者にとって、量子力学と一般相対性理論を組み合わせる正しい方法を発見できる実験を行うことがどれほど重要であるかは、どれだけ強調してもしすぎることはありません。量子重力理論に取り組んでいる人々、例えば、弦理論では、通常、高エネルギー、ブラック ホールの近く、ビッグバンで何が起こるかに焦点を当てます。

「対照的に、私たちの研究はここ地球上の低エネルギー環境で行われていますが、それはまた、…に関する貴重な情報も提供します。 かどうか 重力は量子です。 この実験は、低エネルギーでの重力の量子論の一般的な予測の検証であると考えることもできます。

フローニンゲン大学のアヌパム・マズムダール教授は、「重力の量子的性質を理解する過程で、短距離におけるニュートン重力からのエキゾチックな逸脱など、基礎物理学の他の側面をテストできるかもしれない」と付け加えた。

「これは挑戦的な実験であり、このプロジェクトは、重力の量子的側面のテストを現実にするための重要な技術的課題のいくつかに取り組むという点で画期的です」と物理学の准教授であるアンドリュー・ゲラシは述べています。 ノースウェスタン大学。

このプロジェクトは「MAST-QG: 重力の量子的性質の観察に向けた巨視的重ね合わせ」と呼ばれています。