要約:
私たちが毎日やり取りする巨視的な物体はよく知られた古典的な物理法則に従っているのに、原子や素粒子はなぜ奇妙な量子挙動を示すのでしょうか?物理学者たちは長い間、この謎を解決しようとしてきました。最近、イタリアの地下研究所で行われた新しい研究では、1960年代に提案された理論が厳密に検証されました。研究者らは62日間継続的に測定を行ったが、理論で予測される弱い放射線信号は見つからなかったため、量子現象の消失メカニズムの説明としてこの特定のモデルは除外された。
この研究はイタリア国立核物理研究所の関連研究者によって完了し、研究結果は 2026 年 6 月 19 日に「New Journal of Physics」に掲載されました。論文のタイトルは「一般化カロイヘイジー重力誘起デコヒーレンスモデルの実験的排除」です。この研究結果は、重力と量子力学の間に関連性がないことを意味するものではありませんが、巨視的な世界が明らかな量子効果を示さない理由を理解するために物理学界から注目を集めてきた理論的経路を排除することになります。
この研究には、量子物理学で最も有名な思考実験の 1 つであるシュレーディンガーの猫が含まれています。
1935 年、オーストリアの物理学者エルヴィン シュレーディンガーは、放射性原子や毒ガス装置などが入った密閉箱の中に猫を入れるという思考実験を提案しました。原子が崩壊すると装置から有毒ガスが放出され、猫は死にます。原子が崩壊しなければ、猫は生き残ります。量子力学によるシステム全体の記述によれば、システムは測定が行われる前に異なる状態の量子重ね合わせにある可能性があり、その結果、猫が生きていても死んでいるという有名なパラドックスが生じます。
シュレディンガーがこの思考実験を提案したのは、現実の猫が日常的な意味で実際に生き、同時に死ぬことができると主張するためではなく、量子論を巨視的な世界に適用するときに直面する深い問題を明らかにするためでした。
微視的な世界では、粒子は複数の可能な状態を重ね合わせて存在し、干渉などの量子特性を示すことがあります。しかし、日常生活の中で物体が同じように明白な現象を示すわけではありません。物理学者は、量子システムが周囲の環境と相互作用した後、量子干渉の特徴の観察がますます困難になるプロセスを「デコヒーレンス」と呼んでいます。
環境相互作用は、多くの巨視的な物体が古典物理法則に従っているように見える理由を説明できますが、量子力学と重力の関係は何なのか、また重力が量子の重ね合わせを積極的に破壊するのかどうかなどは、基礎物理学ではまだ未解決の疑問です。
1960 年代、ハンガリーの理論物理学者 Frijesh Karojhazy は、この問題を説明しようとする理論を提案しました。彼は、空間と時間には完全には避けることができない非常に小さな揺らぎが存在する可能性があり、これらの揺らぎが量子系の重ね合わせ状態を徐々に破壊し、大きな物体が量子的挙動を示し続けることが困難になる可能性があると考えています。
この考え方は、量子力学とアインシュタインの一般相対性理論との関係を確立しようとします。一般相対性理論は重力を時空の湾曲の結果として説明し、カロルジャジの理論はさらに進んで、時空自体に小さな不確実性が存在し、それが量子系の進化に影響を与える可能性があると想像しています。
この理論が提案されてから数十年が経ち、関連する研究者は、その予測をより厳密な実験的テストの対象とするために理論を再定式化および改良しました。研究者らは、時空の仮説上の変動が実際に測定可能な形で物質に影響を与えるかどうかを実験的に判断したいと考えている。
問題は、理論で想定されている時空変動が非常に弱く、直接かつ日常的に測定できないことです。しかし、これらの変動が存在し、荷電粒子をランダムに加速する可能性がある場合、粒子は非常に弱い電磁放射を生成するはずです。
言い換えれば、研究者は時空そのものを直接観察する必要はなく、理論によって予測される放射線信号を探すだけで、モデルをテストする機会が得られます。信号が存在する場合、理論を裏付けることになります。実験の感度が十分に高いにもかかわらず、期待されるシグナルが見つからない場合、研究者は対応する理論的パラメーターやモデルを制限したり、除外したりする可能性があります。
この実験を完了するために、研究チームはイタリアのグランサッソ国立研究所を選びました。この研究所はグランサッソ山脈の地下約1.4キロメートルに位置し、基礎物理学研究のための世界最大の地下研究所の一つである。
地下の岩石層は大量の宇宙線やその他の背景放射線を遮蔽し、外部干渉を軽減します。環境からの放射線は、研究者が捕捉したいと考えているターゲット信号よりもはるかに強い可能性があるため、非常に弱い信号を探す場合には、この自然なシールドが重要です。
この実験では、研究者らは検出器のコアコンポーネントとして、コーヒーカップほどの大きさの高純度ゲルマニウム結晶を使用しました。バックグラウンド放射線の影響をさらに軽減するために、多層銅と鉛のシールド構造も検出器の外側に設置されています。
研究チームは連続 62 日間のデータを収集し、分析して測定結果から予想されるバックグラウンド放射線を差し引いて、残りのデータにカロルジャジ モデルによって予測された特定の放射線信号が含まれているかどうかを確認しました。
最終的に、研究者らはモデルの予測と一致する信号を見つけられませんでした。
この結果は、実験的にテストされたカロヤジ重力誘起デコヒーレンス モデルが観測結果によって裏付けられないことを意味します。したがって、研究者らは理論のこの特定のバージョンを除外し、量子デコヒーレンスと重力の関係を説明しようとする将来の研究に新たな制約を設定した。
研究チームのメンバーでイタリア国立核物理研究所のフラスカーティ国立研究所の研究責任者であるカタリーナ・クルセアヌ氏は、予想される信号が存在しないこと自体が重要な科学的結果であると指摘した。重力誘起デコヒーレンスの長年確立されている代表的なモデルを 1 つ除外することで、研究者らは関連する物理メカニズムの探索をさらに絞り込むことができます。
しかし、この研究は、重力が量子系に決して影響を与えないことを証明するものではなく、量子力学と一般相対性理論をどのように統合するかというより大きな問題を解決するものでもありません。
さまざまな理論によって、重力と他のメカニズムを介した量子デコヒーレンスが関連付けられている可能性があり、これらのメカニズムが真実であるかどうかには、さらなる実験的検証が必要です。この実験で除外できたのは、テストされた特定のモデルであり、重力が量子の挙動にどのような影響を与えるかについてのすべてのアイデアではありませんでした。
この研究の重要性は、基本的な物理理論が数学的演繹から正確な実験的検証へと徐々に移行するプロセスを示すことでもあります。これまで、時空と量子重力の構造に関する一部の理論は主に数学的分析と概念研究に依存していたため、その予測を直接テストできる実験を計画することが困難でした。検出器の感度が向上し続けるにつれて、いくつかの理論は実験データに対してテストできる具体的な予測を導き出し始めています。
カロヤジーの考えには、人間が空間と時間の距離と位置を無限の精度で測定できるかどうかという、別の重要な問題も含まれています。
古典的な物理学のイメージでは、一般に物体の位置を精度を高めて測定することを想像できます。しかし、量子力学と重力を統合しようとする理論研究では、時空が依然として極小スケールで無限の精度で測定できる連続的な性質を持っているかどうかが常に大きな注目を集めてきました。ひも理論やループ量子重力などの量子重力研究の一部には、非常に小さなスケールで時空の構造を再理解することが含まれていますが、理論によってこの問題の扱いは異なります。
実験に参加した量子物理学者のクリスチャン・ピスキア氏は、量子重力研究の多くのアイデアには、時空測定の不確実性に関連する最小長スケールの概念が含まれていると指摘しました。ただし、この実験は最小長が実際に存在するかどうかを証明するものではなく、時空の不確実性を量子デコヒーレンスに関連付けようとする特定のモデルを制限するものです。
研究者らは、長い間理論的推測の段階に留まっていたいくつかの物理仮説を、精密な実験によって徐々に検証できるようになってきていると考えています。実験技術がさらに発展するにつれて、科学者はどの理論が現実世界を記述できるのか、どの理論を修正または放棄する必要があるのかをより厳密に判断できるようになると期待されています。
シュレディンガーの猫から時空変動、量子重力に至るまで、この研究は巨視的な世界が古典物理法則を示す理由のすべての秘密を直接明らかにしたわけではありませんが、かつてこの現象を説明できる可能性があると考えられていた理論を排除しました。これは、科学理論の価値は、説得力のある説明を提案する能力だけでなく、実験結果によって検証できる明確で検証可能な予測を立てる能力にもあることを思い出させてくれます。
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