量子の自由落下実験、アインシュタインの重力の基本原理を支持

科学者らは、自由落下する量子物体に重力が及ぼす、長年予測されてきた効果を観測し、検証した条件下でその振る舞いがアインシュタインの等価原理と一致することを確認した。Science Advancesに掲載されたこの研究は、原子などの微小な系を記述する量子力学と、重力や物体の落下を説明する一般相対性理論を実験的に結びつけるものとなる。

研究チームは、絶対零度をわずかに上回る温度まで冷却したルビジウム原子の雲を、特別に設計された原子チップの近傍で制御した。「Galileo Quantum Interferometer」と呼ばれる装置内で、各原子の波は実質的に2つの経路に分けられた。一方は実験室に対して固定されたまま、もう一方は上方へ押し上げられ、磁場の影響をほとんど受けない状態にされてから、重力によって落下した。

2つの経路を再び合わせると、干渉が生じた。これにより研究者は、一方が落下し、もう一方が静止している間に蓄積した量子位相のごく小さな差を測定できた。測定された位相のずれは、このような量子波に等価原理を適用して得られる予測と一致した。

等価原理によれば、自由落下する観測者にとって、重力は局所的に消えるはずである。この原理は大きな物体では精密に検証されているが、重力と量子物理の関係は未解決のままだ。この実験は2つの理論を統一するものでも、重力そのものが量子的であると示すものでもない。慎重に検証されたこの条件下で、アインシュタインの重力理論の基本原理が量子物質とも整合することを実証した。