ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL)の研究者らは、量子力学とEinsteinの重力理論を統合する事ができると言う新しい理論発表した。これが事実であれば、物理学者が長年夢見ていた、相対性理論による古典的な時空概念を維持しつつ、重力と量子力学を一貫して統一するという画期的なものとなる。そしてそれは、宇宙の仕組みや物質の性質に関する我々の理解に関して、過去数世紀で最も厄介な問題のひとつを解決できるかもしれない。

世紀の大発見となるか？

現代物理学の基礎は、量子力学と一般相対性理論に基づき構築されている。量子力学は宇宙の最小の粒子を支配し、一般相対性理論は時空の曲がりを通じて重力を説明するものだ。しかし、これら二つの理論は互いに矛盾しており、100年以上にわたりその調和は達成されていなかった。

従来の仮定では、Einsteinの重力理論を修正するか、「量子化」して量子理論に適合させる必要があると考えられていた。このアプローチは、量子重力理論の二大候補である弦理論とループ量子重力理論において採用されている。しかし、UCLのJonathan Oppenheim教授によって開発された新しい理論は、時空は量子論ではなく古典論に支配されている可能性を示唆し、現在のコンセンサスに挑戦する別のアプローチを提案している。

「量子論とアインシュタインの一般相対性理論は数学的に相容れない。時空を量子化すべきなのか、量子論を修正すべきなのか、それともまったく別のことなのか。時空が量子化されない一貫性のある基本理論ができた今、それは誰の目にも明らかです」とOppenheim教授は説明する。

この理論では、時空を修正するのではなく、量子力学を修正し、時空自体によって媒介される予測可能性の本質的な崩壊を予測している。これにより、時空におけるランダムで激しい変動が生じ、量子力学で想定されるよりも大きくなり、十分に正確に測定された場合、物体の重さが予測不可能になるとされている。

Oppenheim教授の学生らによって、この理論の正当性を実際に検証する方法がいくつか提案された。たとえば、フランスの国際度量衡局では、かつて1kgの標準とされていた1kgの質量を定期的に測定している。この1kgの質量の測定値の変動が数学的な整合性に必要な範囲よりも小さい場合、この理論は否定される可能性があるという。

「この発見は、重力の基本的な性質に対する我々の理解を覆すものであると同時に、その潜在的な量子論的性質を探る道筋を示すものでもあります。もし時空が量子的性質を持たないのであれば、時空の曲率にはランダムなゆらぎがあるはずで、それは実験的に検証できる特定の特徴を持っているはずだということを我々は示しました」と、共著者のZach Weller-Davies博士は説明する。

「量子重力でも古典重力でも、時空は私たちの周囲で激しくランダムなゆらぎを起こしているに違いありません。しかし、時空が古典的であるならば、その揺らぎはあるスケールより大きくなければならない。このスケールは、重い原子を2つの異なる場所にどれだけ長く重ね合わせることができるかを調べる別の実験によって決定することができるのです」。

理論を検証する必要がある

最初の論文は教授自身が書いたもので、2番目の論文は教授の元博士課程の学生たちが書いたものだ。後者の論文では、理論の意味を論じ、それを検証する実験を提案している。その実験とは、質量を高精度で測定し、その重量が時間とともに変動するかどうかを観察するというものである。

共著者であるCarlo Sparaciari博士とBarbara Šoda博士は、解析と数値計算によってプロジェクトの指針を導き、これらの実験によって、量子重力理論の追求が正しいアプローチであるかどうかを見極めることができると期待を表明した。

Šoda博士（元UCL物理学・天文学、現在はカナダのペリメーター理論物理学研究所）は、次のように語っている：「重力は空間と時間の屈曲によって発現するので、時間の流れる速度が量子的性質を持つか、古典的性質を持つかという観点から問題を考えることができます。そして、これをテストすることは、質量の重さが一定か、それとも特定の方法で変動して見えるかをテストするのと同じくらい簡単なことなのです」。

Sparaciari博士（UCL物理学・天文学）は以下のように述べている：「実験コンセプトは単純ですが、物体の重さは極めて正確に行う必要があります。しかし、私がエキサイティングだと思うのは、非常に一般的な仮定から出発して、2つの測定可能な量-時空の揺らぎのスケールと、原子やリンゴのような物体が2つの異なる位置の量子重ね合わせ状態にどれくらいの時間置かれることができるか-の間に明確な関係があることを証明できることです。そして、この2つの量を実験的に決定することができるのです」。

質量のランダムな揺らぎを調べることによって時空が古典的かどうかを検証するという提案は、”重力媒介エンタングルメント”と呼ばれるものを調べることによって時空の量子的性質を検証しようとする別の実験提案と相補的である。

本日の発表には関与していないが、エンタングルメント実験を最初に提案した一人であるSougato Bose教授（UCL物理学・天文学）は、次のように述べている：「時空の本質を検証する実験には大規模な努力が必要ですが、自然の基本法則を理解するという観点からは非常に重要です。このような実験は手の届くところにあると信じています。このようなことを予測するのは難しいですが、おそらく今後20年以内に答えがわかるでしょう」。

ポスト量子論は重力以外の意味合いも持っている。量子論の悪名高き問題点である “測定仮定 “は必要ない。なぜなら、量子の重ね合わせは古典的な時空との相互作用によって必然的に局在化するからである。

この理論は、オッペンハイム教授がブラックホールの情報問題を解決しようとしたことに端を発している。標準的な量子論によれば、ブラックホールに入った物体は、情報が破壊されることはないため、何らかの方法で放射されて戻ってくるはずだが、これはブラックホールの事象の地平線を越えた物体については決して知ることができないという一般相対性理論に反する。新しい理論では、予測可能性が根本的に崩れるため、情報が破壊される可能性がある。

論文

• Nature Communications: Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity
• Physical Review X: A postquantum theory of classical gravity?

参考文献

• University College London: New theory seeks to unite Einstein’s gravity with quantum mechanics